Idag arbetar forskare med att utveckla legeringar som kan motstå extremt heta miljöer, såsom de som finns i kärnfusionsreaktorer, hypersoniska flyg och jetmotorer som utsätts för höga temperaturer. Dessa legeringar, ofta sammansatta av många olika metaller i lika proportioner, kallas för högentropilegeringar eller medelhög- till högentropilegeringar.
Dessa är designade för att uppnå egenskaper som styrka, hållfasthet och korrosionsbeständighet. Ett specifikt fokus är korrosionsbeständighet mot oxidation, som sker när metaller reagerar med atmosfärens syre.
Kockar uppskattar rostfritt stål för dess hållbarhet och förmåga att motstå rost, samt för hur det jämnt fördelar värme vid matlagning. Hemligheten bakom dess egenskaper är metallen krom, som när den exponeras för luftens syre bildar ett skyddande lager som bevarar stålet nedanför.
Från teori till praktiskt verktyg
Ett forskarteam från Pacific Northwest National Laboratory och North Carolina State University i USA har kombinerat atomskaliga experiment med teoretiska modeller för att skapa ett verktyg som förutser hur dessa legeringar beter sig i högtemperaturmiljöer.
Detta arbete, som publicerats i Nature Communications, lägger grunden för snabbare design och testning av korrosionsbeständiga legeringar. Teamets forskning har lett till utvecklingen av en atomskalig modell för materialnedbrytning, vilken kan användas för att designa nästa generations legeringar för en rad olika tillämpningar, från rymdindustrin till kärnkraft.
På atomnivå
Det specifika experimentet inkluderade en högentropilegering bestående av kobolt, krom, järn, nickel och mangan, känd som Cantor-legeringen. Forskarna studerade hur oxidation påverkade denna legering och upptäckte att krom och mangan snabbt migrerade till ytan och bildade stabila oxider.
Genom att tillföra aluminium kunde forskarna reducera den totala oxidationen och öka legeringens motståndskraft mot nedbrytning vid höga temperaturer. Detta banar väg för framtida forskning där man genom automatiserade experiment och additiv tillverkning snabbt kan utvärdera nya lovande legeringar. Denna forskning är en del av ett större initiativ vid PNNL för att utveckla hållbara lösningar i gränslandet mellan vetenskap och teknik.
Källa: Science Daily
4