Naukowcy stworzyli superstop, który zmienia sposób produkcji metali
Mówiąc krótko: pokazali, że zamiast podgrzewać metale do ekstremalnie wysokich temperatur i szybko je przetwarzać, znacznie lepsze efekty można osiągnąć dzięki wolniejszemu procesowi i wygrzewaniu w stosunkowo niskiej temperaturze. Rezultatem jest materiał o wyjątkowych właściwościach mechanicznych, który nieprzypadkowo zasłużył na miano superstopu.
Odkrycia dokonali naukowcy z australijskiego Monash University we współpracy z badaczami z Chin i Stanów Zjednoczonych. Wyniki ich badań są dostępne na łamach Science . Zdaniem autorów praca może zapoczątkować nowy rozdział w inżynierii materiałowej, ponieważ przez ponad sto lat rozwój stopów koncentrował się przede wszystkim na doborze odpowiednich pierwiastków oraz sposobach ich mieszania. Teraz okazuje się, że równie ważny może być sposób, w jaki atomy organizują się podczas procesu produkcyjnego.
Stopy metali stanowią fundament współczesnej cywilizacji. Wykorzystuje się je praktycznie wszędzie: od sztućców i narzędzi, przez samochody i mosty, aż po samoloty, rakiety oraz elektrownie. Klasycznym przykładem jest stal, która dzięki niewielkiej domieszce węgla i innych pierwiastków jest znacznie twardsza i bardziej wytrzymała niż czyste żelazo.
Nowa technologia opiera się na alternatywnym podejściu względem tradycyjnie stosowanych metod. Zamiast utrzymywać materiał przez długi czas w bardzo wysokiej temperaturze, badacze najpierw stopili składniki, a następnie schłodzili je do około 550 stopni Celsjusza i pozostawili do powolnego wygrzewania przez kilkadziesiąt godzin. Najlepsze rezultaty uzyskali po około 32 godzinach kontrolowanego procesu.
Takie warunki sprawiły, iż atomy zaczęły samoczynnie organizować się w wyjątkowo uporządkowaną strukturę. Powstały niezwykle drobne i gęsto upakowane ziarna pozbawione typowych mikroskopijnych defektów, które zwykle osłabiają materiały. Naukowcy określają tę strukturę mianem architektury atomowej, podkreślając, że to właśnie sposób uporządkowania atomów, a nie jedynie skład chemiczny, odpowiada za wyjątkowe właściwości nowego materiału.
Do stworzenia stopu wykorzystali pięć pierwiastków: tytan, cyrkon, hafn, niob oraz tantal. Powstały materiał należy do grupy wysokotopliwych stopów wysokiej entropii (RHEA), które od lat uznawane są za jedne z najbardziej obiecujących materiałów dla przemysłu lotniczego, kosmicznego i energetycznego. Ich produkcja w dużych, jednorodnych elementach była jednak dotychczas niezwykle trudna.
Nowa metoda pozwoliła po raz pierwszy otrzymać duży, ciągły fragment takiego materiału bez występowania charakterystycznych wad mikrostruktury. To właśnie ten aspekt badacze uznają za jedno z najważniejszych osiągnięć całego projektu. Dotychczas podobne uporządkowane struktury udawało się uzyskać jedynie w bardzo cienkich warstwach lub mikroskopijnych próbkach, których nie można było wykorzystać w praktycznych zastosowaniach.
Przeprowadzone testy ujawniły imponujące parametry mechaniczne nowego stopu. Materiał osiągnął granicę plastyczności przekraczającą dwa gigapaskale, zachowując jednocześnie wysoką ciągliwość, czyli zdolność do odkształcania się bez pękania. Według autorów oznacza to, że jest około dwukrotnie wytrzymalszy od stali, trzykrotnie mocniejszy od aluminium i niemal dwa razy bardziej odporny niż identyczny stop wyprodukowany tradycyjnymi metodami.
Źródło: Science