Дослідження Університету штату Огайо: інженерні дефекти кристалів зміцнили два сплави без зміни їхнього хімічного складу

Група дослідників на чолі з вченими з Університету штату Огайо повідомляє, що навмисно внесені кристалічні дефекти, організовані у щільні впорядковані мережі, зміцнили два металеві сплави, не змінивши їхнього хімічного складу. Рецензоване дослідження було опубліковане у журналі Science цього тижня, як зазначено у прес-релізі університету. Серед співавторів — вчені з Університету Ерлангена-Нюрнберга у Німеччині та Ліверморської національної лабораторії імені Лоуренса у Каліфорнії.

Метод складається з двох етапів. Дослідники спочатку деформували кристали двох матеріалів на основі кобальту — нікелевмісного суперсплаву та хромовольфрамового сплаву — а потім повільно старили матеріал за допомогою нагріву. У прес-релізі зазначено, що внаслідок цього всередині структури утворилися щільні атомарно тонкі елементи. У заголовку статті, процитованому TechXplore, вони описані як впорядковані двовимірні дефектні фази. За допомогою просвічувальної електронної мікроскопії у поєднанні з комп'ютерним моделюванням група пов'язала приріст міцності з розташуванням атомів навколо цих дефектів, і в прес-релізі зазначається, що зміна цього розташування може впливати на міцність матеріалу.

Згідно з прес-релізом, процес помітно підвищив як напруження, яке метали могли витримувати, так і їхній опір повільній деформації, або повзучості, за високих температур. Провідний автор Андреас Безольд, ад'юнкт-асистент-професор матеріалознавства та інженерії в Університеті штату Огайо, заявив, що результати вказують на те, що шар інженерних дефектів може доповнити традиційне проєктування матеріалів. «Ми хотіли зробити ці зміцнювальні структури свідомою частиною проєктування матеріалу», — сказав він. Робота ґрунтується на попередніх дослідженнях Університету штату Огайо, які показали, що дефекти, які утворюються під час деформації, можуть ставати зміцнювальними шарами; у прес-релізі новий підхід описується як перший, що дозволив увести густину дефектів, яка повністю збагачує ці сплави.

Співавтор Майкл Міллз, професор матеріалознавства та інженерії в Університеті штату Огайо, зазначив, що хоча дефекти зазвичай асоціюються з пошкодженнями, «правильні дефекти з правильною структурою та хімією насправді можуть зробити матеріал міцнішим». У прес-релізі йдеться про те, що цей підхід у перспективі може використовуватися для виробництва високоміцних сплавів для обладнання, що працює за високих температур, як приклади наведено авіаційні турбінні двигуни та енергетичне обладнання, проте це подається як можливість майбутнього. Наразі, зазначено у релізі, внесок групи полягає у розширенні принципів проєктування в інженерії.

Результати отримано в рамках одного рецензованого дослідження двох конкретних сплавів. У прес-релізі не повідомляється про промислові випробування, випробування компонентів чи кількісні показники міцності, а також не вказано строків практичного застосування. Фінансування здійснювалося Міністерством енергетики США та Національним науковим фондом за додаткової підтримки Фонду Александра фон Гумбольдта та Центру електронної мікроскопії й аналізу Університету штату Огайо.