Tailoring strength-ductility of Al 0.8 CoCrFeNi/Al composites fabricated by deformation-driven metallurgy via incorporating high-energy ball milling pretreatment

In dem unermüdlichen Streben nach leichteren und stärkeren Materialien für alles, von Flugzeugen bis hin zu Elektrofahrzeugen, haben Wissenschaftler schon lange ein Auge auf Aluminium geworfen. Es ist ein Metall, das eine exzellente Balance zwischen Leichtigkeit und Festigkeit bietet, aber für die anspruchsvollsten Anwendungen benötigt es einen Schub. Ein vielversprechender Weg, um diesem Aluminium diesen Schub zu geben, besteht darin, es mit winzigen Partikeln einer speziellen Klasse von Metallen zu mischen, die als Hochentropie-Legierungen bekannt sind. Dies sind keine typischen Metalle; es sind komplexe Mischungen aus mehreren verschiedenen Elementen, die zusammen ein Material schaffen, das unglaublich zäh, korrosionsbeständig und in der Lage ist, extremer Hitze standzuhalten. Die Herausforderung liegt jedoch in der Vermähhlung dieser beiden Materialien. Wenn die Partikel der Hochentropie-Legierung zu groß sind oder verklumpen, erzeugen sie Schwachstellen im Aluminium, was dazu führt, dass das Endprodukt unter Belastung versagt. Das Ziel ist es, diese verstärkenden Partikel so fein und gleichmäßig im Aluminium zu verteilen, dass sie als einheitlicher Schutzschild gegen Verformung wirken und das Metall stärken, ohne es spröde zu machen.

Forscher des Shanghai Aerospace Equipment Manufacturer und des Harbin Institute of Technology haben diese Herausforderung bewältigt, indem sie eine Methode namens deformationsgetriebene Metallurgie verfeinert haben. Bei diesem Prozess handelt es sich im Wesentlichen um eine Methode, um Metall aus Pulver zu schmieden, ohne es zu schmelzen, wobei intensiver Druck und Reibung genutzt werden, um die Zutaten zu einem soliden Block zu vermengen. In ihrer neuesten Arbeit, die in einem Forschungsartikel veröffentlicht wurde, führten die Forscher einen entscheidenden ersten Schritt ein: eine kräftige Vorbehandlung mittels hochenergetischer Kugelmühle. Stellen Sie sich eine schwere Trommel vor, die mit Stahlkugeln und einer Mischung aus Aluminium- und Hochentropie-Legierungspulver gefüllt ist. Während die Trommel rotiert, prallen die Kugeln mit enormer Kraft auf das Pulver, zertrümmern die Partikel, flachen sie ab und verschweißen sie wiederholt miteinander. Die Forscher wollten sehen, wie lange sie diese Trommel rotieren lassen mussten, um das perfekte Ergebnis zu erzielen. Sie testeten verschiedene Dauern, die von fünfzehn bis dreißig Stunden reichten, um zu beobachten, wie sich das Pulver veränderte und wie diese Veränderungen die endgültige Festigkeit des Aluminium-Verbundwerkstoffs beeinflussten.

Die Ergebnisse zeichneten eine klare Geschichte der Transformation. Mit zunehmender Mahldauer wurden die großen, unregelmäßigen Brocken der Hochentropie-Legierung schrittweise in viel feinere, gleichmäßigere Sprenkel zerkleinert. Zu Beginn waren die Partikel relativ groß und ungleichmäßig verteilt, doch nach fünfundzwanzig Stunden Mahldauer waren sie zu winzigen, äquiaxialen Körnern von weniger als einem halben Mikrometer Größe verfeinert worden. Diese Verfeinerung betraf nicht nur die Größe; es ging darum, wie die Partikel in das Aluminium eingebettet waren. Das intensive Mahlen führte eine massive Anzahl von Defekten, sogenannten Versetzungen, in die Kristallstruktur des Aluminiumpulvers ein. Diese Defekte fungierten als Keime, die das Aluminium dazu ermutigten, seine interne Struktur in ein feineres, robusteres Kornmuster umzuorganisieren, wenn es später zu einem soliden Block geschmiedet wurde. Die Forscher fanden heraus, dass je länger das Mahlen andauerte, desto besser die Aluminiumkörner in eine dichte, gleichmäßige Anordnung rekristallisieren konnten, was für ein starkes Material essenziell ist.

Als das Team diese vorbehandelten Pulver zu soliden Blöcken schmiedete, war der Unterschied in der Leistung eklatant. Die Verbundwerkstoffe, die aus Pulvern hergestellt wurden, die für kürzere Zeit gemahlen wurden, zeigten Anzeichen von Schwäche, wobei größere Partikel als Ausgangspunkte für Risse dienten. Die Proben, die jedoch fünfundzwanzig Stunden behandelt worden waren, wiesen eine bemerkenswerte Kombination aus Festigkeit und Flexibilität auf. Sie konnten einer Kraft von 282 Megapascal standhalten, bevor sie sich dauerhaft verformten, und sie hielten bis zu 341 Megapascal stand, bevor sie brachen, während sie sich gleichzeitig um 12,4 Prozent dehnten. Diese Dehnung ist signifikant; das bedeutet, dass das Material nicht wie Glas zersplitterte, sondern sich eher bog und dehnte und dabei Energie absorbierte, bevor es versagte. Die Bruchflächen der erfolgreichen Proben zeigten ein einheitliches Muster aus winzigen Vertiefungen, was darauf hindeutete, dass sich das Material gleichmäßig dehnte, anstatt an Schwachstellen auseinanderzureißen. Im Gegensatz dazu zeigten Proben mit geringerer Mahldauer größere, unregelmäßige Partikel, die vorzeitige Risse ausgelöst hatten.

Die Studie bestätigt, dass die Vorbehandlung durch Kugelmühlen ein leistungsstarkes Werkzeug zur Anpassung der Eigenschaften dieser fortschrittlichen Verbundwerkstoffe ist. Durch die einfache Anpassung der Dauer des Mahlvorgangs konnten die Forscher die Größe der verstärkenden Partikel und die interne Struktur der Aluminiummatrix kontrollieren. Die Marke von fünfundzwanzig Stunden erwies sich in ihren Experimenten als der ideale Punkt („Sweet Spot“), an dem die Partikel klein genug waren, um perfekt dispergiert zu werden, und die Aluminiumstruktur ausreichend verfeinert war, um die Festigkeit zu maximieren, ohne die Duktilität zu sehr zu opfern. Dieser Ansatz bietet einen praktischen Weg nach vorn, um aluminiumbasierte Materialien zu schaffen, die leicht genug für die Luft- und Raumfahrt sind, aber stark genug, um den Strapazen des Fluges standzuhalten. Die Arbeit zeigt, dass mit der richtigen Vorbereitung das Potenzial von Hochentropie-Legierungen zur Verstärkung von Aluminium voll ausgeschöpft werden kann, indem man eine Mischung aus Pulvern in ein Material verwandelt, das in der Lage ist, den extremen Anforderungen moderner Ingenieurskunst gerecht zu werden.