Un nou aliaj, de până la 10 ori mai rezistent decât oțelul, se îndoaie în loc să crape. Care este utilitatea sa

Inginerii de la Universitatea Purdue au dezvoltat un nou aliaj cobalt-aluminiu (CoAl) care rezolvă una dintre cele mai vechi probleme ale fizicii materialelor: obținerea unui compus intermetalic de până la 10 ori mai rezistent decât oțelul, capabil să se îndoaie sub tensiune în loc să se fractureze. Descoperirea, publicată în revista Science Advances, deschide calea către motoare aerospațiale și turbine cu gaz mult mai eficiente, care pot suporta forțe centrifuge uriașe fără riscul de a se rupe brusc.

Ce sunt compușii intermetalici și de ce sunt în mod normal fragili?

Intermetalicele sunt materiale solide formate din două sau mai multe elemente metalice, aranjate într-o structură cristalină extrem de ordonată. Organizarea atomică neobișnuită le poate da o rezistență excepțională, temperaturi ridicate de topire și o rezistență puternică la fluaj — deformarea lentă a unui material sub acțiunea prelungită a căldurii și a solicitării.

Aceste calități le fac valoroase pentru tehnologii exigente: motoare cu reacție, turbine cu gaz, sisteme de stocare a energiei, componente auto. Multe dintre ele au însă o slăbiciune majoră: tind să fie extrem de fragile.

În cadrul cercetării, inginerii de la Universitatea Purdue au demonstrat o nouă modalitate de a combina o rezistență foarte mare cu o plasticitate substanțială în compușii intermetalici de cobalt-aluminiu (CoAl). Materialul a fost obținut sub formă de film subțire; versiunile masive, potrivite pentru producția la scară industrială, rămân obiectul cercetărilor viitoare.

Un compus fragil, făcut să se deformeze

Plasticitatea este capacitatea unui material de a-și schimba forma definitiv, fără să se fisureze sau să se rupă. Pentru aplicațiile industriale contează mult: un material care nu se poate deforma e greu de modelat în piese complexe și se poate rupe brusc sub solicitare.

„Compușii intermetalici CoAl în stare masivă sunt compuși de înaltă rezistență. Printre alte aplicații, aceștia pot fi utilizați potențial în materialele de nouă generație ale palelor de turbină pentru motoarele aeronautice, care sunt motoare cu turbină cu gaz ce generează forță de tracțiune pentru propulsia aeronavelor. Aliajele CoAl de înaltă rezistență, deformabile plastic, ar putea permite unui motor sau unui turbocompresor să se rotească mai repede, susținând în același timp o forță centrifugă mai mare, îmbunătățindu-le astfel performanța.”, a declarat Zhang.

La fel ca mulți compuși intermetalici, CoAl-ul masiv este deosebit de fragil la temperatura camerei. O plasticitate mai mare l-ar face mai ușor de fabricat și le-ar permite inginerilor să construiască structuri mai sofisticate pentru motoare și alte sisteme de înaltă performanță.

„În acest studiu, demonstrăm că CoAl-ul poate prezenta o plasticitate semnificativă la temperatura camerei, oferind o abordare nouă și alternativă pentru îmbunătățirea capacității de deformare plastică a CoAl-ului”, a spus Xu.

Defectele atomice devin un avantaj

Încercările anterioare de a face CoAl-ul mai plastic au vizat modificarea compoziției, ajustarea microstructurii sau combinarea lui cu alte materiale. Rezultatele au fost limitate, fiindcă niciuna dintre abordări nu a produs dislocații într-o densitate suficient de mare în interiorul compusului intermetalic.

Dislocațiile sunt defecte — neregularități microscopice într-un cristal, acolo unde atomii nu mai sunt aliniați într-un model perfect ordonat. Deși cuvântul „defect” sugerează o slăbiciune, dislocațiile pot ajuta metalele să se deformeze sub acțiunea unei forțe extreme, în loc să se rupă.

Pentru ca CoAl-ul să devină plastic la temperatura camerei, materialul are nevoie de un număr mare de astfel de dislocații.

„Am introdus direct dislocări în CoAl în timpul depunerii prin pulverizare catodică. Mai important, am proiectat structura interfețelor amorfe (FAI) – granițe flexibile în materiale pentru flexibilitate structurală, care se cristalizează parțial în timpul deformării și favorizează nuclearea dislocărilor în compușii intermetalici CoAl.”, a spus Zhang.

Structura interfețelor amorfe constă din granițe interne flexibile care, la început, nu au aceeași structură cristalină ordonată ca materialul din jur. Pe măsură ce CoAl-ul se deformează, părți din aceste interfețe se cristalizează și contribuie la generarea de noi dislocații.

Limita de curgere de 6 GPa: cum a depășit acest aliaj cobalt-aluminiu oțelul tradițional

Combinația dintre dislocațiile introduse la fabricare și structura interfețelor amorfe a produs un compus intermetalic CoAl excepțional de rezistent.

Testele au arătat că materialul atinge o limită de curgere de 6 GPa (gigapascal, unitate de măsură a tensiunii) — de aproximativ șase până la zece ori mai mult decât limita de curgere a oțelului structural de înaltă rezistență.

Limita de curgere arată câtă tensiune suportă un material înainte să înceapă să se deformeze permanent. În ciuda rezistenței extreme, materialul CoAl a suportat și o deformație plastică de 15% sub compresiune, la temperatura camerei. Pentru context tehnologic, obținerea unei plasticități de 15% la temperatura camerei într-un material cu o asemenea duritate era considerată o imposibilitate în metalurgia clasică.

„Această combinație de rezistență mecanică ultraînaltă și plasticitate remarcabilă face ca actualul sistem nanolaminat CoAl să fie unul dintre cele mai bune sisteme intermetalice raportate până în prezent”, a afirmat Xu.

Materialul crește din vapori, nu din metal topit

Cercetătorii au produs materialul prin depunere cu pulverizare cu magnetron, un proces care aplică un film subțire pe o suprafață. Această metodă de fabricare în stare de neechilibru le-a permis să obțină CoAl cu interfețe binare amorfe de aluminiu-cobalt.

Abordarea diferă mult de turnarea tradițională a metalelor (de la stare lichidă la solidă), care pornește de la material topit și îl lasă să se răcească până la forma solidă. Pulverizarea cu magnetron construiește în schimb materialul din vapori de aliaj, iar asta le-a permis cercetătorilor să introducă în CoAl mult mai multe dislocații decât permite în mod normal turnarea convențională.

„Această abordare de fabricare în stare de neechilibru ne permite să fabricăm materiale pornind de la vapori de aliaj până la starea solidă, introducând un număr semnificativ de dislocări în CoAl. Am reușit să obținem o rezistență și o plasticitate semnificative în CoAl, ceea ce nu poate fi realizat prin turnarea tradițională.”, a spus Zhang.

Deformarea, urmărită sub microscop și reconstituită în simulări

Pentru a măsura performanțele mecanice ale compușilor intermetalici CoAl — rezistența și plasticitatea — echipa a făcut teste mecanice in situ, în interiorul unui microscop electronic cu baleiaj. Metoda le-a permis cercetătorilor să vadă materialul în timp ce se deforma și să-i urmărească comportamentul cu precizie micrometrică.

Profesoara Yashashree Kulkarni și doctorandul ei, Anand Mathew, de la Universitatea din Houston, au contribuit și ei la proiect. Ei au folosit simulări de dinamică moleculară pentru a examina ce se petrece în interiorul CoAl-ului la nivel atomic.

Simulările au arătat că structurile interfețelor amorfe s-au cristalizat în timpul deformării. Au evidențiat și dislocații care se deplasează dinspre interfețele straturilor către straturile de CoAl din jur, ceea ce ajută la explicarea felului în care materialul se poate deforma fără să se fractureze rapid.

Următorul pas: versiuni masive, pentru scară industrială

Experimentele au arătat că interfețele dintre straturi, proiectate special, pot îmbunătăți substanțial deformabilitatea plastică a CoAl-ului. Cercetătorii vor încerca acum să aplice același concept la nanocompozite CoAl în vrac, care ar putea fi produse pentru aplicații la scară industrială.

„Vom testa, de asemenea, conceptul folosind alți compuși intermetalici, cu scopul de a stabili aplicabilitatea generală a FAI-urilor pentru îmbunătățirea plasticității în această clasă de metale”, a spus Xu.

Faza următoare a cercetării va fi condusă de Grupul Nanometal al lui Zhang, care combină sinteza materialelor, testarea nanomecanică in situ și analiza avansată a microstructurii la scară atomică, pentru a dezvolta materiale metalice deopotrivă rezistente și deformabile. Cercetarea mai amplă a lui Zhang acoperă și sinteza nanomaterialelor, deteriorarea provocată de radiații în materialele nanostructurate, comportamentul mecanic al metalelor nanostructurate și materialele funcționale.

Aplicații posibile în aerospațial, energie și apărare

Descoperirile ar putea avea consecințe importante pentru mai multe sectoare de tehnologie avansată. Intermetalicele mai rezistente și mai ductile ar putea sprijini dezvoltarea unor pale de turbină îmbunătățite, a motoarelor de avion, a sistemelor energetice, a tehnologiilor de apărare și a materialelor concepute pentru utilizare în spațiu.

„Intermetalicele ductile vor spori semnificativ capacitățile noastre de a proiecta materiale avansate pentru aplicații aerospațiale și spațiale, energetice și de apărare”, a declarat Zhang.Un nou aliaj, de până la 10 ori mai rezistent decât oțelul, se îndoaie în loc să crape.

Deși va mai dura până la obținerea unor versiuni de dimensiuni industriale, capacitatea de a controla plasticitatea metalelor la nivel atomic schimbă deja modul în care inginerii privesc limitele structurale ale materialelor viitorului.