Studie från Ohio State: konstruerade kristalldefekter stärker två legeringar utan att ändra deras kemi

Ett team lett av forskare vid Ohio State University rapporterar att avsiktligt införda kristalldefekter, ordnade i täta nätverk, stärkte två metallegeringar utan att ändra deras kemiska sammansättning. Den fackgranskade studien publicerades i Science denna vecka, enligt ett pressmeddelande från universitetet. Medförfattare kommer från Universitetet Erlangen-Nürnberg i Tyskland och Lawrence Livermore National Laboratory i Kalifornien.

Metoden har två steg. Forskarna deformerade först kristallerna i två koboltbaserade material, en nickelinnehållande superlegering och en krom-volframlegering, och åldrade sedan materialet långsamt med värme. Pressmeddelandet anger att detta skapade täta, atomärt tunna strukturer inuti materialet. Artikelns titel, citerad av TechXplore, beskriver dessa som ordnade tvådimensionella defektfaser. Med transmissionselektronmikroskopi och datorsimuleringar kopplade teamet hållfasthetsökningen till hur atomer var ordnade kring dessa defekter, och pressmeddelandet anger att en ändring av den ordningen skulle kunna påverka materialets styrka.

Enligt pressmeddelandet höjde processen markant både den spänning metallerna kunde bära och deras motstånd mot långsam deformation, eller krypning, vid höga temperaturer. Huvudförfattaren Andreas Bezold, adjungerad biträdande professor i materialvetenskap vid Ohio State, sa att resultaten tyder på att ett lager av konstruerade defekter kan komplettera konventionell materialdesign. «Vi ville göra dessa förstärkande strukturer till en medveten del av materialets design», sa han. Arbetet bygger på tidigare forskning vid Ohio State som visade att defekter bildade under deformation kan bli förstärkande skikt; pressmeddelandet beskriver den nya metoden som den första att införa defekttätheter som fullt ut berikar dessa legeringar.

Medförfattaren Michael Mills, professor i materialvetenskap vid Ohio State, sa att även om defekter vanligtvis förknippas med skada, «kan rätt defekter med rätt struktur och kemi faktiskt göra ett material starkare». Pressmeddelandet antyder att metoden så småningom kan användas för att tillverka höghållfasta legeringar för utrustning som utsätts för höga temperaturer, och nämner flygplansturbiner och kraftverksmaskineri som exempel, men framställer detta som en framtida möjlighet. För närvarande sägs teamets bidrag vara att bredda designprinciper inom teknik.

Resultaten kommer från en enda fackgranskad studie av två specifika legeringar. Pressmeddelandet rapporterar inga industriella försök, komponenttester eller kvantitativa hållfasthetsdata och anger ingen tidsram för praktisk användning. Finansiering kom från det amerikanska energidepartementet och National Science Foundation, med ytterligare stöd från Alexander von Humboldt-stiftelsen och Ohio States Center for Electron Microscopy and Analysis.