Forscher schaffen High

8. August 2023

Dieser Artikel wurde gemäß dem Redaktionsprozess und den Richtlinien von Science X überprüft. Die Redakteure haben die folgenden Attribute hervorgehoben und gleichzeitig die Glaubwürdigkeit des Inhalts sichergestellt:

faktengeprüft

Korrekturlesen

von Cactus Communications

Unser anhaltendes Bestreben, in den Weltraum vorzudringen, erfordert erhebliche technologische Fortschritte in verschiedenen Bereichen, einschließlich der Materialwissenschaft. In der Luft- und Raumfahrtindustrie verwendete Materialien müssen leicht und dennoch mechanisch widerstandsfähig sein, eine Kombination, die schwer zu erreichen ist. Glücklicherweise haben Metallmatrix-Verbundwerkstoffe seit ihrer Einführung im 20. Jahrhundert einen langen Weg zurückgelegt, und viele Experten glauben, dass sie für Raumfahrtanwendungen der nahen Zukunft von entscheidender Bedeutung sein werden.

Eine der vielversprechendsten Arten von Metallmatrix-Verbundwerkstoffen sind Aluminiummatrix-Verbundwerkstoffe (AMCs), die mit hochentropischen Legierungspartikeln (HEAps) verstärkt sind und AMCs überlegene mechanische Eigenschaften verleihen können, einschließlich hoher Festigkeit, Haltbarkeit und Plastizität. Allerdings erzeugen HEAPs auch strukturelle Defekte wie Mikrorisse und Mikrohohlräume, die problematisch sein können.

Vor diesem Hintergrund untersucht ein Forschungsteam unter der Leitung von Professor Hai-liang Yu von der Central South University, China, einen neuen Weg zur Herstellung von Hochleistungs-HEAp/AMC-Flachblechen.

In ihrer neuesten Studie, die in „Transactions of Nonferrous Metals Society of China“ veröffentlicht wurde, untersuchte das Team eine vielversprechende Technik namens asymmetrisches Kryowalzen (ACR), die die Vorteile von Kryowalzen und asymmetrischem Walzen (AR) kombiniert.

AR ist eine in der Stahlherstellung etablierte Technik, bei der eine Metallplatte durch ein Walzwerk geführt wird. Bei diesem Verfahren wird eine große Scherspannung gleichmäßig über die gesamte Plattendicke ausgeübt, was dazu beiträgt, die Anzahl der Defekte zu reduzieren. Der einzige praktische Unterschied zwischen AR und ACR ist ihre Betriebstemperatur. Während AR bei Raumtemperatur durchgeführt wird, wird ACR bei kryogenen Temperaturen durchgeführt, die mit flüssigem Stickstoff erreicht werden.

Einige frühere Studien haben gezeigt, dass ACR die mechanischen Eigenschaften von HEAp/AMC-Platten verbessern kann. Der entsprechende Verstärkungsmechanismus und der Zusammenhang zwischen mechanischen Eigenschaften und der Mikrostruktur von AMCs während der ACR bleiben jedoch unklar. Um diese Wissenslücke zu schließen, stellten die Forscher HEAp/AMC-Platten mit AR bei 298 K und ACR bei 77 K her und analysierten sie mithilfe von Raster- und Transmissionselektronenmikroskopietechniken sowie Zug- und Härtetests.

Sie fanden wichtige mikrostrukturelle Unterschiede zwischen den mittels AR und ACR hergestellten Platten. Bei der kryogenen Verarbeitung entstanden Schichten mit weniger Mikrohohlräumen, einer feineren Korngröße und einer höheren Versetzungsdichte. Darüber hinaus ergaben die mechanischen Tests, dass ACR-Platten deutlich duktiler und fester waren als AR-Platten. „Die endgültige Zugfestigkeit von 3 Gew.-% HEAp/AMCs, die über ACR hergestellt wurden, erreichte 253 MPa und war damit 13,5 % höher als die von über AR hergestellten Platten“, betont Prof. Yu.

Die Forscher kamen zu dem Schluss, dass die beobachteten Unterschiede zwischen ACR und AR hauptsächlich auf den Volumenschrumpfungseffekt von HEAp/AMCs zurückzuführen sind.

„Je größer der Volumenschrumpfungseffekt der Aluminiumlegierung ist, desto fester umschließt das Aluminium die verstärkenden HEAPs. Dadurch wird die Bindung zwischen der Matrix und den Partikeln gestärkt“, erklärt Prof. Yu. „Da der Volumenschrumpfungseffekt in kryogenen Umgebungen größer ist, spielt ACR eine wichtige Rolle bei der Vermeidung von Defekten, die durch die große plastische Verformung von HEAp/AMC-Platten verursacht werden.“

Insgesamt deuten diese Ergebnisse darauf hin, dass ACR eine Schlüsselrolle bei der Entwicklung neuer Legierungen für die Luft- und Raumfahrt- und Automobilindustrie spielen und in Zukunft möglicherweise sogar zur Technologie der Wahl für Hochleistungsmaterialien werden könnte.

Mehr Informationen: Kai-guang Luo et al., Verbesserte mechanische Eigenschaften von Aluminiummatrix-Verbundwerkstoffen, verstärkt mit hochentropischen Legierungspartikeln durch asymmetrisches Kryowalzen, Transaktionen der Nonferrous Metals Society of China (2023). DOI: 10.1016/S1003-6326(23)66238-7

Bereitgestellt von Cactus Communications