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

In de onvermoeibare zoektocht naar lichtere, sterkere materialen voor alles van vliegtuigen tot elektrische voertuigen, hebben wetenschappers lang naar aluminium gekeken. Het is een metaal dat een uitstekende balans biedt tussen lichtheid en sterkte, maar voor de meest veeleisende toepassingen heeft het een boost nodig. Eén veelbelovende manier om aluminium die boost te geven, is door het te mengen met minuscule deeltjes van een speciale klasse metalen die bekend staan als hoog-entropie legeringen. Dit zijn niet de typische metalen; het zijn complexe mengsels van verschillende elementen die, wanneer ze gecombineerd worden, een materiaal creëren dat ongelooflijk taai is, bestand tegen corrosie en in staat is om extreme hitte te weerstaan. De uitdaging ligt echter in de huwelijk van deze twee materialen. Als de deeltjes van de hoog-entropie legering te groot zijn of samenklonteren, creëren ze zwakke plekken in het aluminium, waardoor het eindproduct bezwijkt onder spanning. Het doel is om deze versterkende deeltjes zo fijn en gelijkmatig door het aluminium te verspreiden dat ze fungeren als een uniform schild tegen vervorming, waardoor het metaal wordt versterkt zonder bros te worden.

Onderzoekers van de Shanghai Aerospace Equipment Manufacturer en het Harbin Institute of Technology hebben dit probleem aangepakt door een methode genaamd deformatie-gedreven metallurgie te verfijnen. Dit proces is in essentie een manier om metaal te smeden uit poeder zonder het te smelten, waarbij intense druk en wrijving worden gebruikt om de ingrediënten te mengen tot een solide blok. In hun nieuwste werk, gepubliceerd in een wetenschappelijk artikel, introduceerde het team een cruciale eerste stap: een krachtige voorbehandeling via hoogenergetisch kogelmalen. Stel je een zware trommel voor gevuld met stalen ballen en een mengsel van aluminium- en hoog-entropie legeringpoeders. Terwijl de trommel draait, slaan de ballen met enorme kracht op het poeder, waardoor de deeltjes worden verbrijzeld, afgeplat en herhaaldelijk aan elkaar worden gelast. De onderzoekers wilden zien hoe lang ze deze trommel moesten laten draaien om het perfecte resultaat te krijgen. Ze testten verschillende duurtes, variërend van vijftien tot dertig uur, om te observeren hoe het poeder veranderde en hoe die veranderingen de uiteindelijke sterkte van het aluminiumcomposiet beïnvloedden.

De resultaten onthulden een duidelijk verhaal van transformatie. Naarmate de maal tijd toenam, werden de grote, onregelmatige brokken van de hoog-entropie legering geleidelijk ver crushed tot veel fijnere, meer uniforme spikkels. Aanvankelijk waren de deeltjes relatief groot en ongelijkmatig verdeeld, maar na vijfentwintig uur malen waren ze verfijnd tot minuscule, equiaxiale korrels van minder dan een halve micrometer groot. Deze verfijning ging niet alleen over grootte; het ging over hoe de deeltjes in het aluminium waren ingebed. Het intense malen introduceerde een enorm aantal defecten, bekend als dislocaties, in de kristalstructuur van het aluminiumpoeder. Deze defecten fungeerden als zaden, die het aluminium aanmoedigden om zijn interne structuur te reorganiseren naar een fijner, robuuster korrelpatroon wanneer het later werd gesmeed tot een solide blok. De onderzoekers ontdekten dat hoe langer het malen voortduurde, hoe meer de aluminiumkorrels in staat waren om te rekristalliseren tot een strakke, uniforme rangschikking, wat essentieel is voor een sterk materiaal.

Toen het team deze voorbehandelde poeders tot solide blokken smeedde, was het verschil in prestaties treffend. De composieten gemaakt van poeders die korter gemalen waren, vertoonden tekenen van zwakte, waarbij grotere deeltjes fungeerden als startpunten voor scheuren. Echter, de monsters die vijftienentwintig uur behandeld waren, vertoonden een opmerkelijke combinatie van sterkte en flexibiliteit. Ze konden een kracht van 282 megapascal weerstaan voordat ze permanent vervormden, en ze hielden stand tot 341 megapascal voordat ze braken, terwijl ze 12,4 procent uitrekten. Deze verlenging is significant; het betekent dat het materiaal niet brak als glas, maar eerder boog en uitrekte, waarbij het energie absorbeerde voordat het bezweek. De breukvlakken van deze succesvolle monsters vertoonden een uniform patroon van kleine putjes, wat aangeeft dat het materiaal gelijkmatig uitrekte in plaats van uiteen te scheuren bij zwakke plekken. In contrast hiermee vertoonden monsters gemaakt met minder maltijd grotere, onregelmatige deeltjes die vroegtijdige scheurvorming hadden getriggerd.

De studie bevestigt dat de voorbehandeling door middel van kogelmalen een krachtig instrument is voor het afstemmen van de eigenschappen van deze geavanceerde composieten. Door simpelweg de duur van het maalproces aan te passen, konden de onderzoekers de grootte van de versterkende deeltjes en de interne structuur van de aluminiummatrix controleren. De grens van vijfentwintig uur bleek het ideale punt te zijn in hun experimenten, waar de deeltjes klein genoeg waren om perfect te worden gedispergeerd en de aluminiumstructuur voldoende was verfijnd om de sterkte te maximaliseren zonder te veel ductiliteit op te offeren. Deze aanpak biedt een praktisch pad voorwaarts voor het creëren van aluminium-gebaseerde materialen die licht genoeg zijn voor de luchtvaart, maar sterk genoeg om de eisen van de vlucht te kunnen weerstaan. Het werk demonstreert dat met de juiste voorbereiding het potentieel van hoog-entropie legeringen om aluminium te versterken volledig gerealiseerd kan worden, waardoor een mengsel van poeders wordt omgevormd tot een materiaal dat in staat is om de extreme eisen van moderne techniek te weerstaan.