Eine kontraintuitive Möglichkeit, stärkere Legierungen herzustellen

9. Februar 2023

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von Kelly Oakes, Norwegische Universität für Wissenschaft und Technologie

Seit Tausenden von Jahren mischen Menschen Metalle, um nützlichere Materialien herzustellen. Die Bronzezeit, die um 3300 v. Chr. begann, war durch die Verwendung von Bronze gekennzeichnet, einer Legierung aus Kupfer und Zinn, die stärker ist als jedes Metall allein.

Jetzt haben Forscher an der NTNU einen kontraintuitiven Weg entdeckt, um eine viel neuere Erfindung – nanokörnige Legierungen mit nanogroßen Körnern des Legierungselements – noch stärker zu machen.

Aluminium ist ein Metall, das häufig zur Herstellung von Komponenten in der Luft- und Raumfahrt-, Transport- und Bauindustrie verwendet wird, unter anderem weil es leicht und dennoch langlebig ist. Aluminiumlegierungen behalten diese Eigenschaften bei, sind jedoch stärker als Aluminium allein.

„Wenn es reines Aluminium wäre, wäre es natürlich nicht stark genug“, sagt Yanjun Li, Professor für physikalische Metallurgie am Department of Materials Science and Engineering der NTNU.

Doch in den letzten Jahren stießen Forscher, die versuchten, nanokörnige Legierungen aus kupferhaltigem Aluminium herzustellen, auf ein Problem: Die Kupferatome neigen dazu, sich zu verklumpen und grobe Partikel mit Aluminium im Inneren des Materials zu bilden, insbesondere bei Temperaturen über 100 °C.

Wenn das Kupfer nicht mehr gleichmäßig im Material verteilt ist, wird die Legierung schwächer.

„Sie sammeln sich an und bilden große Partikel“, sagt Li. „Wenn diese Partikel groß sind, können sie tatsächlich die Festigkeit verringern.“

Kupferatome können sich durch Material bewegen, wenn es eine sogenannte Leerstelle – einen Raum, der nicht von Atomen besetzt ist – gibt, in den sie sich bewegen können.

Daher haben Forscher versucht, die Anzahl der Leerstellen zu minimieren, um die Bewegungsfähigkeit der Atome zu verringern.

„Wenn es keine Leerstellen gibt, könnten sich natürlich auch keine Atome bewegen“, sagt Li.

Doch nun haben Li und seine Kollegen einen Weg gefunden, die Zahl der Leerstellen zu erhöhen und gleichzeitig die Festigkeit der resultierenden Legierung zu erhöhen.

In einer in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlichten Arbeit fügten die Forscher dem Aluminium sowohl Scandiumatome als auch Kupferatome hinzu und erhöhten gleichzeitig die Zahl der Leerstellen.

Die Scandium- und Kupferatome bildeten zusammen mit den Leerstellen Strukturen, die sich nicht leicht durch das Material bewegen konnten.

„Zusammen sind sie sehr stabil“, sagt Li. „Es wird für jeden von ihnen schwieriger, sich zu bewegen.“

Dank der neuen Scandium-Kupfer-Strukturen wurden große Aluminium-Kupfer-Partikel, die sich zuvor gebildet hätten, vollständig unterdrückt, selbst wenn die Legierung 24 Stunden lang auf 200 °C erhitzt wurde.

Diese Stabilität bedeutet, dass die Kupferatome gleichmäßig im Material verteilt bleiben und die Legierung ihre zusätzliche Festigkeit behält.

Das Team sah die Kupfer-Scandium-Leerstellen-Cluster mithilfe der Atomsondentomographie (APT), einer Technik, die es ermöglicht, zu sehen, was auf atomarer Ebene im Inneren eines Materials geschieht.

Ph.D. Studentin Hanne Søreide präparierte mit dem Focussed Ion Beam von NTNU Nanolab sehr dünne Nadeln – nur 50 nm im Durchmesser – aus der Legierung. Anschließend verdampfte sie mit der Atomsonde Atome nacheinander von der Spitze der Nadel, während ein Detektor Informationen über sie erfasste.

„Verschiedene Atome können schneller oder langsamer fliegen“, sagt Li.

Anhand dieser Informationen rekonstruierten die Forscher ein Bild davon, wo sich jedes Atom ursprünglich im Material befand. Sie sahen, dass sich im Inneren des Aluminiums Atome der beiden unterschiedlichen Legierungselemente miteinander verbanden.

„Sie verbinden sich, das können wir mit Kupfer und Scandium nachweisen“, sagt Li. „Sie sind wirklich eng miteinander verbunden.“ Die Forscher bestätigten ihre Ergebnisse mithilfe der Übergangselektronenmikroskopie.

Li sagt, das Team habe diese Erkenntnisse bereits genutzt, um eine Aluminiumlegierung herzustellen, die 50 % stärker ist als Legierungen mit der gleichen Menge Kupfer, die derzeit im Handel erhältlich sind.

„Für Aluminium ist das keine leichte Aufgabe“, sagt er.

Während die Materialien, die Li und seine Kollegen im Labor herstellen, noch weit von einer industriellen Anwendung entfernt sind, sind Legierungen, die ihre Festigkeit bei hohen Temperaturen behalten, in Motoren und für andere Anwendungen nützlich, bei denen die Komponenten heiß werden.

Das Atomsondenlabor der NTNU ist die erste Einrichtung dieser Art in Norwegen. Li und seine Kollegen hoffen, dass der Einsatz von APT ihnen dabei helfen wird, weitere neue Materialien mit wünschenswerten Eigenschaften zu finden. „Indem wir das Material auf atomarer Ebene wirklich verstehen, können wir neue Legierungen und neue Materialien mit noch höherer Festigkeit entwickeln“, sagt Li. „Ohne ein solches Instrument ist es fast unmöglich, diese Materialien zu verstehen.“

Mehr Informationen: Shenghua Wu et al., Einfrieren gelöster Atome in nanokörnigen Aluminiumlegierungen über hochdichte Leerstellen, Nature Communications (2022). DOI: 10.1038/s41467-022-31222-6

Zeitschrifteninformationen:Naturkommunikation

Zur Verfügung gestellt von der Norwegischen Universität für Wissenschaft und Technologie