Slitina až 10krát pevnější než ocel
Proudové motory vyžadují materiály, které dokážou odolat obrovskému teplu a síle, aniž by se ohýbaly, praskaly nebo pomalu ztrácely svůj tvar. Nejsilnější kandidáti však mají často zásadní slabinu – jsou příliš křehké na to, aby se bezpečně deformovaly.
Inženýři z americké Purdue University tento kompromis překonali v intermetalické kobalt-hliníkové (CoAl) sloučenině. Nový nanolaminát kobalt-hliník boří obvyklý kompromis mezi pevností a flexibilitou a je až 10krát pevnější než konstrukční ocel, aniž by se stal nebezpečně křehkým. Výzkum, o němž informoval časopis Science Advances, by mohl ukazovat na lepší strategii pro výrobu notoricky křehkých intermetalických sloučenin pro letecký a energetický průmysl.
Intermetalické sloučeniny obsahují dva nebo více kovových prvků organizovaných ve vysoce uspořádané krystalové struktuře. Toto atomové uspořádání jim může poskytnout pozoruhodnou pevnost, vysoké teploty tání a odolnost proti tečení. Avšak stejné uspořádané struktury, které činí intermetalické sloučeniny pevnými, mohou zároveň zabránit jejich žádoucí snadné deformaci, takže místo ohýbání silou se mnoho z nich láme, zejména při pokojové teplotě.
Užitečné krystalové vady
Vědci k problému přistoupili záměrným zavedením nedokonalostí do materiálu. V krystalu obvykle sledují atomy opakující se geometrický vzor a dislokace je mikroskopické narušení tohoto vzoru. Ačkoli jsou defekty často spojeny se slabostí, dislokace mohou kovům také poskytnout způsob, jak změnit tvar tím, že umožňují vrstvám atomů pohybovat se spíše než se rozpadat.
Mikropilární kompresní testy na vyrobených intermetalických nanokompozitech kobalto-hliníkových sloučenin odhalily, že nanokompozitům bylo umožněno dosáhnout vysoké meze kluzu, trvalého zpevnění a plastické deformace v tlaku. Klíčem k požadované schopnosti jsou flexibilní rozhraní odemykající plasticitu, kdy vědci zakomponovali dislokace přímo do CoAl během jeho formování při naprašování. Vytvořili také síť amorfních rozhraní, tenkých hranic, kde atomům chybí uspořádání, které se nachází v krystalu. Tyto flexibilní vnitřní hranice fungují jako více než pasivní separátory – během deformace části rozhraní krystalizují a pomáhají generovat další dislokace, což dává okolním vrstvám CoAl více možností, jak absorbovat sílu.
A co je hlavní, navrhli strukturu amorfních rozhraní flexibilních hranic v materiálech pro strukturální flexibilitu, které během deformace částečně krystalizují a podporují nukleaci dislokací v intermetalických sloučeninách CoAl. Výsledný nanolaminát dosáhl meze kluzu (množství napětí, které materiál snese, než se začne trvale deformovat), hodnoty 6 GPa, tj. šest až desetkrát více než u vysokopevnostní konstrukční oceli. Navzdory této extrémní pevnosti materiál vydržel 15% plastické deformace při stlačení při pokojové teplotě. Jinými slovy: mohl podléhat významné trvalé deformaci, aniž by se okamžitě zlomil. Kombinace ultravysoké mechanické pevnosti a vynikající plasticity činí ze systému nanolaminátů CoAl jeden z nejlepších dosud známých intermetalických systémů.
Slitina vytvořená z páry
Vědci vyrobili materiál pomocí magnetronového naprašování, při němž se atomy uvolňují ze zdrojového materiálu, a ukládají jako tenký film na jiném povrchu. Na rozdíl od konvenčního odlévání, kdy tuhne roztavený kov, umožňuje naprašování tvořit materiál přímo z par slitiny. Tato nekonvenční metoda pomohla zachytit velké množství dislokací uvnitř CoAl a zároveň vytvořit amorfní rozhraní hliník-kobalt.
Nerovnovážný výrobní přístup umožňuje vyrábět materiály z par slitiny do pevné látky, čímž se do CoAl zavádí značný počet dislokací, umožňující dosáhnout pevnosti a plasticity CoAl, čehož tradičním odléváním nelze dosáhnout.
Tomáš Machovský
Foto: Purdue University
14
