نانومواد

کشف لایه های نانو بی نظم در آلیاژهای بین فلزی

کشف لایه های نانو بی نظم در آلیاژهای بین فلزی

 

کشف لایه های نانو بی نظم در آلیاژهای بین فلزی علم DOI: 10.1126 / science.abb6830″>
تصویر HAADF-STEM لایه نابسامان فوق باریک در مرز دانه ها با ضخامت حدود ۵ نانومتر را نشان می دهد. اعتبار: علم DOI: 10.1126 / science.abb6830

کشف لایه های نانو بی نظم در آلیاژهای بین فلزی آلیاژهای بین فلزی به طور بالقوه در محیط دمای بالا دارای مقاومت بالایی هستند. اما آنها به طور کلی در محیط و دمای پایین از شکل پذیری ضعیفی رنج می برند ، از این رو کاربردهای آنها را در هوا فضا و سایر زمینه های مهندسی محدود می کند. با این حال ، یک تیم تحقیقاتی به سرپرستی دانشمندان دانشگاه سیتی هنگ کنگ (CityU) اخیراً لایه های بی نظیر مقیاس نانو در مرز دانه ها را در آلیاژهای بین فلزی مرتب شده کشف کرده اند. لایه های نانو نه تنها می توانند تعارض آشتی ناپذیر بین قدرت و شکل پذیری را به طور م resolveثر حل کنند ، بلکه مقاومت آلیاژ را با یک ثبات حرارتی عالی در دمای بالا حفظ می کنند. طراحی لایه های نانو مشابه ممکن است مسیری را برای طراحی مواد سازه ای جدید با خواص آلیاژی مطلوب باز کند.

دانشکده ها : این تحقیق توسط پروفسور لیو Chain-tsuan ، استاد برجسته دانشگاه CityU و عضو ارشد موسسه مطالعات پیشرفته هنگ کنگ (HKIAS) انجام شد. یافته ها فقط در مجله علمی معتبر Science با عنوان “Ultrahigh- استحکام و ابرشبکه شکل پذیر آلیاژها با رابط های بی نظم در مقیاس نانو.”

درست مانند فلزات ، ساختار داخلی آلیاژهای بین فلزی از مناطق متبلور منفرد ساخته شده است که به عنوان “دانه” شناخته می شود. شکنندگی معمول در آلیاژهای بین فلزی معمولاً به ترک خوردگی در امتداد مرز دانه آنها در طی تغییر شکل کشش نسبت داده می شود. افزودن عنصر بور به آلیاژهای بین فلزی یکی از روشهای سنتی برای غلبه بر شکنندگی است. پروفسور لیو در واقع یکی از کسانی بود که ۳۰ سال پیش این رویکرد را مطالعه کرد. در آن زمان ، او دریافت که افزودن بور به آلیاژهای بین فلزی باینری (دو عنصر را تشکیل می دهد ، مانند Ni ۳ Al) انسجام مرز دانه را افزایش می دهد ، از این رو شکل پذیری کلی آنها را بهبود می بخشد.

یک نتیجه آزمایشی شگفت آور

در سالهای اخیر ، پروفسور لیو پیشرفتهای زیادی در زمینه تولید آلیاژهای بین فلزی فله (آلیاژ بین فلزی آلیاژ فوق شبکه نیز نامیده می شود که با ساختار مرتب و بسته بندی شده اتمی بسته بندی شده است) نیز نامیده می شود. این مواد با مقاومت خوب برای کاربردهای ساختاری در دمای بالا بسیار جذاب هستند ، اما به طور کلی از شکنندگی جدی در دمای محیط و همچنین درشت شدن سریع دانه (یعنی رشد در اندازه دانه) و نرم شدن در دمای بالا رنج می برند. بنابراین این بار ، پروفسور لیو و تیمش استراتژی جدید “بی نظمی در مقیاس نانو در سطح” را در آلیاژهای بین عناصر بین عناصر چند عنصر تهیه کرده اند که مقاومت بالا ، شکل پذیری زیاد در دمای اتاق و همچنین پایداری حرارتی عالی در دماهای بالا.

کشف لایه های نانو بی نظم در آلیاژهای بین فلزی علوم DOI : 10.1126 / science.abb6830 “>
(A) نقشه های اتم که با استفاده از ۳D-APT بازسازی شده اند ، توزیع هر عنصر را نشان می دهد. آهن (Fe) ، کبالت (Co) و بور (B) در لایه نانو غنی شده (به رنگ تیره تر) ، در حالی که نیکل (Ni) ، آلومینیوم (Al) و تیتانیوم (Ti) به ترتیب تخلیه می شوند (رنگ روشن تر) . (B) و (C) نیز نتایج یکسانی را نشان می دهند. اعتبار: علم DOI: 10.1126 / science.abb6830

“آنچه در ابتدا سعی کردیم انجام دهیم افزایش انسجام مرز دانه از طریق بهینه سازی مقدار بور است” ، دکتر یانگ تائو ، محقق تحقیقات فوق دکترا در بخش مهندسی مکانیک CityU (MNE) و IAS ، گفت: یکی از اولین نویسندگان مقاله است. “ما انتظار داشتیم که ، با افزایش مقدار بور ، آلیاژ به دلیل ترکیبات چند عنصر خود ، مقاومت فوق العاده بالا را حفظ کند.”

با توجه به خرد متعارف ، افزودن مقادیر کمیاب (۰٫۱ تا ۰٫۵) درصد اتمی (در درصد) بور با افزایش انسجام مرز دانه ، قابل انعطاف پذیری کششی آنها را بهبود می بخشد. وقتی مقادیر بیش از حد بور اضافه شود ، این روش سنتی کارایی نخواهد داشت. دکتر یانگ یادآوری می کند: “اما وقتی مقدار زیادی بور به آلیاژهای چند فلزی موجود چند عنصر اضافه کردیم ، نتایج کاملاً متفاوتی بدست آوردیم. در یک لحظه از خود پرسیدم که آیا در طول آزمایش مشکلی پیش آمده است؟”

در کمال تعجب تیم ، هنگام افزایش بور در ۱٫۵ تا ۲٫۵ در. ٪ ، این آلیاژهای دوپ-بور بسیار محکم اما بسیار شکل پذیر شدند. نتایج آزمایش نشان داد که آلیاژهای بین فلزی با ۲ در. ٪ بور دارای قدرت عملکرد فوق العاده بالا ۱٫۶ گیگاپاسکال با انعطاف پذیری کششی ۲۵٪ در دمای محیط است.

با مطالعه از طریق میکروسکوپ های الکترونی مختلف انتقال ، این تیم کشف کرد که هنگامی که غلظت بور از ۱٫۵ تا ۲٫۵ در دامنه باشد. ٪ ، یک لایه نانو متمایز بین دانه های مرتب شده مجاور تشکیل شد. هر یک از دانه ها درون این نانو لایه نازک با ضخامت حدود ۵ نانومتر کپسول شدند. و لایه نانو خود دارای ساختار اتمی بی نظمی است. پروفسور لیو گفت: “این پدیده خاص قبلا هرگز کشف و گزارش نشده بود.”

آزمایشات کششی آنها نشان داد که لایه نانو به عنوان یک منطقه بافر بین دانه های مجاور a عمل می کند > ، که تغییر شکل پلاستیک را در مرز دانه امکان پذیر می کند ، در نتیجه شکل پذیری کششی زیادی در سطح مقاومت عملکرد فوق العاده بالا ایجاد می کند.

کشف لایه های نانو بی نظم در آلیاژهای بین فلزی علم DOI: 10.1126 / science.abb6830 “/>
این تصاویر نشان می دهد که آلیاژ (NDI-SM) در دمای محیط و مقاومت در برابر حرارت فوق العاده در دمای بالا به یک هم افزایی – قابلیت شکل پذیری برتر دست یافته است. اعتبار: علم DOI: 10.1126 / science.abb6830

چرا لایه نانو بی نظم ایجاد شده است؟

این تیم دریافت که افزایش بیشتر بور به طور قابل توجهی “جداسازی چند عنصر” را تقسیم کرده است – تقسیم چندین عنصر در امتداد مرز دانه ها. آنها با توموگرافی کاوشگر اتم سه بعدی پیشرفته (۳-D APT) در CityU ، تنها مورد در نوع خود در هنگ کنگ و جنوب چین ، غلظت بالایی از بور ، اتم های آهن و کبالت در لایه های نانو. در مقابل ، نیکل ، آلومینیوم و تیتانیوم در آنجا تا حد زیادی تخلیه شد. در نتیجه ، این تقسیم بندی عنصری منحصر به فرد باعث ایجاد اختلال در مقیاس نانو در لایه نانو شده است که به طور موثر شکستگی های موجود در طول مرزهای دانه و شکل پذیری را افزایش می دهد.

علاوه بر این ، هنگام ارزیابی پاسخ حرارتی آلیاژ ، تیم تحقیق دریافت که افزایش اندازه دانه حتی پس از ۱۲۰ ساعت پخت در دمای بالا ۱۰۵۰ درجه سانتیگراد قابل اغماض است. این دوباره تیم را متعجب کرد زیرا بیشتر مواد سازه ای معمولاً رشد سریع اندازه دانه ها را در دمای بالا نشان می دهند و در نتیجه قدرت به سرعت کاهش می یابد.

مسیر جدیدی برای توسعه مواد سازه ای برای استفاده در دمای بالا

آنها اعتقاد داشتند که لایه نانو در مهار رشد اندازه دانه محوری است و مقاومت آن را در دمای بالا حفظ می کند. و پایداری حرارتی لایه نانو بی نظم ، این نوع آلیاژ را برای کاربردهای ساختاری در دمای بالا مناسب می کند.

“کشف این نانولایه ناهنجار در آلیاژ در توسعه مواد با مقاومت بالا در آینده تأثیرگذار خواهد بود. به طور خاص ، این رویکرد را می توان برای مصالح ساختاری برای کاربردهای بالا دما تنظیماتی مانند هوا فضا ، خودرو ، انرژی هسته ای و مهندسی شیمی.

نوشته های مشابه

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

دکمه بازگشت به بالا