Küçük atomik kusurlar metal alaşımlarını daha güçlü ve ısya dayanıklı hale getirebilir.

Amerikalı bilim insanları, kristallerdeki küçük kusurları kullanarak gelecekteki uçak jet motorlarına ve enerji santrallerine entegre edilebilecek, daha güçlü ve ısıya daha dayanıklı metal alaşımlari geliştirdi.

Araştırma, Ohio State Üniversitesi Malzeme Bilimi ve Mühendisliği yardımcı doçenti Andreas Bezold liderliğinde gerçekleştirildi. Bezold’un bu yaklaşımın aşırı sıcağa dayanabilen daha dayanıklı malzemelere yol açabileceğini düşünmesi, çalışmanın temel motivasyonunu oluşturuyor.

Kristal kusurları, atomlarınkusursuz dizilmesinden kaynaklanan düzensizliklerdir. Ancak bunlar bir zayıflık yerine karmaşık üç boyutlu (3D) yapılar oluşturabiliyor. Dikkatlice düzenlendiğinde bu kusurlar metallerin kimyasal bileşimini değiştirmeden onları güçlendirebiliyor.

Kusurlar faydalı olduğunda

Tüm kristaller, atomik yapılarını bozan ve özelliklerini değiştirebilen küçük kusurlar içerir. Kristal kusurları genellikle hasar veya zayıflık ile ilişkilendirilse de, doğru şekilde dizildiklerinde metalleri aslında daha güçlü hale getirebilirler.

Bunu kanıtlamak için araştırma ekibi iki malzeme kullandı: kobalt-nikel esaslı bir süperalaşım ve cobalt-krom-tungsten alaşımı. Önce metal kristallerini şekil verdiler, ardından ısıl işlem ile olgunlaştırdılar. Bu, alaşımların içinde atom inceliğinde yapılardan oluşan yoğun ağlar oluşturdu.

Ekibin şaşırarak gözlemlediği gibi, bu yapılar metallerdeki atomların dizilimini değiştirdi. Hatta onları strese dayanma ve aşırı sıcakla başa çıkma konusunda daha verimli hale getirdi. “Bu güçlendirici yapıları malzemenin tasarımının bilinçli bir parçası yapmak istedik,” dedi Bezold. “Bu yüzden kusurların alaşımların genel dayanıklılığı üzerinde böyle olumlu bir etkiye sahip olabilmesi gerçekten büyüleyiciydi.”

Bu değişiklikleri daha iyi anlamak için ekip, iletim elektron mikroskobunu bilgisayar simülasyonları ile birleştirdi. Sonuçlar, atomların kusurları nasıl çevrelediğinin metalin ne kadar güçlü olacağını belirleyebileceğini gösterdi.

Jet motorları ve enerji santralleri

Üniversitenin Malzeme Bilimi ve Mühendisliği profesörü ve çalışmanın ortak yazarı Michael Mills’e göre, keşif, aşırı sıcak ve stres altında çalışan teknolojiler için özellikle faydalı olabilir. Bunlar arasında uçak türbini motorları veya enerji santrali makineleri sayılabilir.

Jet motorları, çoğu zaman 1.832 derece Fahrenheit’in (1.000 derece Celsius) üzerinde olan sıcaklıklarda şekil değiştirmeye dirençli metallere ihtiyaç duyar; enerji santralini bileşenleri ise uzun süreli aşırı sıcak maruz kalışına dayanmak zorundadır.

“Güçlendirme sürecini atomik ölçeğinde görmek oldukça büyüleyiciydi, çünkü hasar ile ilişkilendirilmesine rağmen, doğru yapı ve kimyaya sahip doğru kusurlar aslında bir malzemeyi daha güçlü hale getirebiliyor,” Mills bir basın açıklamasında söyledi.

Bu çaba, metalleri güçlendiren kusurlara yönelik önceki Ohio State araştırmalarına dayanıyor. Çalışmaya Ohio State, Erlangen-Nürnberg Üniversitesi ve Lawrence Livermore Ulusal Laboratuvarından araştırmacılar katıldı; NSF, DOE ve diğer kuruluşlardan destek sağlandı. Ekip, bulguların daha güçlü ve yüksek performanslı malzemelerin tasarımına dair daha iyi yollar ortaya çıkaracağını umuyor.

“Bu, hızla oldukça heyecan verici hale gelen bir alan,” dedi Bezold. “Umarız bu fikir, malzeme mühendisliğini daha da ileri taşıyan ve güçlendiren yeni bir kaldıraç haline gelir.”

Science dergisinde yayımlandı>.