制造更坚固合金的违反直觉的方法

几千年来，人类一直在混合金属以创造更有用的材料。青铜时代始于公元前3300年左右，其特点是使用青铜，一种铜和锡的合金，比单独的任何一种金属都坚固。

现在，NTNU的研究人员发现了一种违反直觉的方法，使最近的发明-纳米晶粒合金，具有纳米尺寸的合金元素颗粒-甚至更强。

铝是一种广泛用于制造航空航天、运输和建筑行业部件的金属，部分原因是它重量轻但耐用。铝合金保留了这些品质，但比单独的铝更坚固。

“当然，如果它是纯铝，它不够坚固，”NTNU材料科学与工程系物理冶金学教授YanjunLi说。

大颗粒会降低强度

但近年来，试图制造含铜铝纳米晶合金的研究人员遇到了一个问题：铜原子倾向于聚集在一起，在材料内部与铝形成粗颗粒，特别是在高于100°C的温度下。

当铜不再均匀分布在整个材料中时，合金会变弱。

“它们积聚在一起，形成大颗粒，”李说，“这些颗粒，当它们很大时，实际上会降低强度。

增加空缺以确保稳定性

铜原子可以在材料中移动，如果存在所谓的空位-一个不被原子占据的空间-它们可以进入。

因此，研究人员一直在努力减少空位的数量，以减少原子的移动能力。

“如果没有空位，当然没有原子可以移动，”李说。

但是现在李和他的同事们已经找到了一种方法来增加空缺的数量，同时增加所得合金的强度。

在发表在《自然通讯》杂志上的工作中，研究人员在铝中添加了钪原子和铜原子，同时也增加了空缺的数量。

钪和铜原子与空位一起形成了不能轻易穿过材料的结构。

“他们在一起非常稳定，”李说，“他们中的任何一个都变得更加难以移动。

由于采用了新的钪铜结构，即使将合金加热到200°C24小时，以前形成的大铝铜颗粒也被完全抑制。

这种稳定性意味着铜原子在整个材料中保持均匀分布，并且合金保持其增加的强度。

原子探针断层扫描关键

该团队使用原子探针断层扫描(APT)看到了铜-钪-空位簇，该技术可以查看材料内部原子水平上发生的事情。

博士生HanneSøreide使用NTNUNanolab的聚焦离子束制备了非常细的合金针-直径仅为50nm。然后，她使用原子探针从针头顶部一个接一个地蒸发原子，同时探测器捕获有关它们的信息。

“不同的原子可以飞得更快或更慢，”李说。

利用这些信息，研究人员重建了每个原子最初在材料中的位置的图片。他们看到两种不同合金元素的原子在铝内部连接在一起。

“它们结合在一起，我们可以用铜和钪检测到这一点，”李说，“它们真的紧密地联系在一起。研究人员使用过渡电子显微镜证实了他们的发现。

强度提高50%

李说，该团队已经利用这些发现制造了一种铝合金，该合金比目前市售的相同铜含量的合金强50%。

“这对铝来说不是一件容易的事，”他说。

虽然Li及其同事在实验室中制造的材料还远未应用于工业，但在高温下保持强度的合金在发动机和其他部件变热的应用中很有用。

NTNU的原子探针实验室是挪威第一个此类设施。李和他的同事们希望使用APT将帮助他们找到其他具有理想性能的新材料。“通过真正了解原子尺度上的材料，它可以帮助我们设计新的合金，具有更高强度的新材料，”李说，“没有这种仪器，几乎不可能理解这些材料。