Atom Seviyesi Görüntüleme, Eşsiz Özellikleri Olan Metalleri Etkinleştirebilir

Birkaç primer metalin neredeyse eşit parçalarından yapılan yüksek entropi alaşımları, üstün mekanik özelliklere sahip malzemeler oluşturmak için büyük potansiyele sahip olabilir.

Atom Seviyesi Görüntüleme, Eşsiz Özellikleri Olan Metalleri Etkinleştirebilir
Yeni paladyum içeren yüksek entropi alaşımının şematik gösterimi, yeni alaşımın nasıl büyük paladyum kümeleri (mavi atomlar) içerdiğini gösterir. Kredi: Georgia Teknoloji Enstitüsü

Birkaç primer metalin neredeyse eşit parçalarından yapılan yüksek entropi alaşımları, üstün mekanik özelliklere sahip malzemeler oluşturmak için büyük potansiyele sahip olabilir.

Ancak pratik olarak sınırsız sayıda olası kombinasyonla metalurji uzmanları için bir zorluk, araştırma çabalarını geniş, keşfedilmemiş bir metalik karışımlar dünyasında nereye odaklayacaklarını bulmak.

Georgia Teknoloji Enstitüsü'ndeki bir araştırmacı ekibi, bu tür çabaları yönlendirmeye yardımcı olabilecek yeni bir süreç geliştirdi. Yaklaşımları, bireysel yüksek entropi alaşımlarına yeni bir bakış açısı kazandırmak ve özelliklerini karakterize etmek için bir atomik çözünürlük kimyasal haritası oluşturmaktır.

9 Ekim 2019'da yayınlanan Nature dergisinde yapılan bir çalışmada araştırmacılar, iki yüksek entropi alaşımında bireysel metal haritaları oluşturmak için enerji dağıtıcı X-ışını spektroskopisi kullandıklarını açıkladılar. Transmisyon elektron mikroskobu ile birlikte kullanılan bu spektroskopi tekniği, analiz edilen bir numunenin temel bileşimini karakterize etmek için bir elektron ışını tarafından bombardıman sırasında bir numuneden yayılan X ışınlarını tespit eder. Haritalar, bireysel atomların kendilerini alaşım içinde nasıl düzenlediklerini gösterir ve araştırmacıların bireysel özellikleri vurgulayan alaşımları tasarlamalarına yardımcı olacak kalıpları aramalarını sağlar.

Örneğin, haritalar araştırmacılara, bir metalin bir başkasıyla ikame edilmesinin neden bir alaşımın daha güçlü veya daha zayıf hale geldiğini ya da bir metalin neden aşırı soğuk ortamlarda diğerlerinden daha iyi performans gösterdiğini anlamalarını sağlayabilir.

Georgia Tech'teki George W. Woodruff Makine Mühendisliği Okulu'nda profesör olan Ting Zhu, bireysel yüksek entropi alaşımlarına ilişkin iç görüler kazandırma ve özelliklerini karakterize etme konusunda yeni bir süreç geliştirmeye yardımcı oldu. Kredi: Rob Keçe

George W. Woodruff School of School'da profesör olan Ting Zhu, “Mühendislik uygulamalarında kullanılan alaşımların çoğu, çelik demir veya nikel bazlı süper alaşımlarda nikel gibi yalnızca bir primer metal içerir; Georgia Tech. Şirketinde Makine Mühendisliği “Görece yüksek konsantrasyonlarda beş veya daha fazla metal içeren bu yeni alaşımlar, daha önce görülmemiş özelliklere sahip olabilecek geleneksel olmayan alaşımlar olasılığını ortaya koyuyor. Ancak bu henüz keşfedilmemiş yeni bir kompozisyon alanı ve bu malzeme sınıfını hala çok sınırlı bir şekilde anlıyoruz. ”

“Yüksek entropi” adı, metallerin karışımındaki tek biçimlilik eksikliğinin yanı sıra metallerden gelen atomların birleştirildiği şekilde ne kadar farklı ve bir şekilde rastgele şekilde düzenlenebileceğini belirtir.

Zhu, yeni haritaların araştırmacılara, mühendislik uygulamaları için bu tür alaşımların kullanabileceği herhangi bir konvansiyonel olmayan atomik yapı olup olmadığını ve belirli özelliklere “ayarlamak” için karışımlar üzerinde ne kadar kontrol araştırmacılarının sahip olabileceğini belirlemelerine yardımcı olabilir.

Yeni görüntüleme yaklaşımını test etmek için araştırma ekibi beş metal içeren iki yüksek entropi alaşımını karşılaştırdı. Bunlardan biri, genellikle “Cantor” alaşımı olarak adlandırılan bir kombinasyon olan krom, demir, kobalt, nikel ve manganez karışımıydı. Diğeri manganez için benzer fakat ikame edilmiş paladyumdu. Bu bir sübstitüsyon atomların kendilerini karışımda nasıl düzenledikleri konusunda çok farklı davranışlarla sonuçlandı.

Zhu, “Cantor alaşımında, beş elementin dağılımı tutarlı bir şekilde rastgele” dedi. “Ancak paladyum içeren yeni alaşım ile elementler, paladyum atomlarının atomik boyutlarının çok farklı olmasından ve elektronegatiflikteki diğer elementlere kıyasla farklılıklarından dolayı önemli toplanmalar gösteriyor.”

Palladyumlu yeni alaşımda, haritalama, paladyumun büyük kümeler oluşturma eğiliminde olduğunu gösterirken, kobalt demirin düşük konsantrasyonlarda olduğu yerlerde toplanmış gibi görünüyordu.

Bu toplamalar, birkaç nanometre aralığında boyutları ve aralıklarıyla birlikte, güçlü deformasyon direnci sağlar ve mekanik özelliklerde bir yüksek entropi alaşımından diğerine olan farklılıkları açıklayabilir. Süzme deneylerinde, paladyumlu alaşım, Cantor alaşımına benzer gerilme sertliği ve gerilme sünekliğini korurken daha yüksek verim gücü göstermiştir.

Kağıdın yazarı ve Zhejiang Üniversitesi'nden bir profesör olan Qian Yu, “Element dağılımının atomik ölçekli modülasyonu, çıkık davranışlarını güçlü bir şekilde ayarlayan kafes direncinin dalgalanmasını sağlıyor” dedi. “Bu modülasyon yağış sertleşmesinden daha ince ve geleneksel katı çözelti kuvvetlendiriciden daha büyük bir ölçekte meydana geliyor. Ve yüksek entropi alaşımlarının kendine özgü karakterini anlamayı sağlar. ”

Bulgular, araştırmacıların ileride özel tasarım alaşımları üretmesini ve bir özellik ya da diğerinden yararlanmasını sağlayabilir.

Kaliforniya Üniversitesi Berkeley'deki bir başka yazar ve profesör olan Robert Ritchie, “Bu çalışmanın, son derece yüksek profilli yüksek kimyasal entropi alaşımlarının yerel kimyasal sıralamasının özelliklerini dikte etmek için çok önemli olduğuna inanıyoruz” dedi. “Gerçekten de, bu, atomik tasarım ile en uygun özelliklere ulaşmak için bu malzemeleri uyarlamanın bir yolunu sunuyor.”

Ekip ayrıca Knoxville'deki Tennessee Üniversitesi'nden araştırmacıları da içeriyordu; Tsinghua Üniversitesi; ve Çin Bilimler Akademisi.

Bu araştırma, Ulusal Bilim Vakfı tarafından DMR-1810720 numaralı hibe, DE-AC02-05CH11231 numaralı sözleşmeyle Enerji Bakanlığı, B16042 numaralı hibe ile Çin Ulusal Doğal Bilimler Vakfı ve B16042 numaralı Devlete İlişkin Temel Program tarafından Hibe No. 2015CB659300 kapsamında Çin'deki Temel Araştırma. İçerik, yazarların görüşlerini yansıtır ve sponsor kuruluşların resmi görüşlerini temsil etmez.


Referans: “Yüksek Entropi Alaşımlarındaki Kompozisyona Göre Element Dağılımı, Yapı ve Özelliklerin Ayarlanması” Qingqing Ding, Yin Zhang, Xiao Chen, Xiaoqian Fu, Dengke Chen, Çin Chen, Lin Gu, Fei Wei, Hongbin Bei, Yanfei Gao, Minru Wen, Jixue Li, Ze Zhang, Ting Zhu, Robert Ritchie ve Qian Yu, Doğa