Производство автомобилей из прочных и легких алюминиевых сплавов вместо стали могло бы повысить топливную экономичность и увеличить запас хода электромобилей, однако нестабильность материала при высоких температурах не позволила этим сплавам получить широкое распространение.
Создание мельчайших армирующих частиц карбида титана (TiC) непосредственно внутри расплавленного алюминия приводит к получению более прочного и термостойкого материала на основе алюминия, называемого нанокомпозитом с металлической матрицей.
До сих пор исследователи не понимали, как формируются эти наночастицы и как они взаимодействуют с другими элементами микроструктуры, что затрудняет производство материала в промышленных масштабах.
Исследователи Мичиганского университета использовали уникальную технологию 3D-рентгенографии с высоким разрешением, чтобы получить первое представление о том, как формируются наночастицы, где они располагаются и как они способствуют дальнейшему затвердеванию расплавленного металла. Статья о работе будет опубликована в сентябрьском выпуске Acta Materialia .
«Большинство металлов начинают свою жизнь в жидком состоянии . То, как они переходят из жидкого в твердое состояние, в конечном итоге определит их микроструктуру, а следовательно, их свойства и применение», — сказал Эшвин Шахани, доцент кафедры материаловедения и инженерии, а также химической инженерии в UM и соавтор исследования.
«Исследование позволило нам понять, как именно наночастицы взаимодействуют с вторичными фазами при литье, что было серьезной проблемой на протяжении последних полувека».
Поскольку наночастицы имеют размер менее 100 нанометров, или одной десятитысячной миллиметра, исследователи использовали мощный метод визуализации, называемый синхротронной рентгеновской нанотомографией, для неразрушающей трехмерной визуализации микроструктуры металла — достижение, невозможное при использовании традиционных методов визуализации.
Для получения визуализаций исследователи создали алюминиевый композит, армированный карбидом титана (TiC). Это включало реакцию с флюсом, в которой смесь углеродного порошка и титансодержащей соли реагировала с алюминиевым расплавом.
3D-реконструкции выявили неожиданное разнообразие интерметаллических структур титана-алюминида (Al 3 Ti), включая ту, которая образовалась непосредственно на наночастицах TiC диаметром более 200 нм. В этом случае кристаллы Al 3 Ti выросли в необычную ортогональную пластинчатую структуру. Между тем, наночастицы TiC размером менее 200 нм расщепляли интерметаллические пластины Al 3 Ti во время затвердевания, образуя разветвленные структуры.
Помимо визуализации, исследователи использовали моделирование фазового поля, чтобы заполнить пространственно-временные «пробелы» в экспериментах и предложить механизм формирования микроструктуры.
«Теперь у нас есть доказательства того, что наночастицы образуются задолго до интерметаллических соединений, а не наоборот, что имеет важные последствия для зародышеобразования наночастиц в первую очередь», — сказал Шахани.
Имея эти результаты на руках, отраслевые партнеры теперь могут управлять образованием TiC и Al3Ti при производстве алюминиевых композитов в больших масштабах, регулируя пути затвердевания или химический состав сплава для достижения желаемой микроструктуры и связанных с ней свойств.
«Мы давно знали, что наночастицы могут улучшить характеристики композитов с металлической матрицей, но эти материалы невозможно было производить в больших масштабах. Теперь мы понимаем механизмы формирования, которые позволят нашим отраслевым партнерам оптимизировать процесс для приложений по облегчению», — сказал Алан Тауб, профессор инженерии имени Роберта Х. Лури и директор Центра электромобилей в UM, а также соавтор исследования.
Дополнительная информация: Аарон Гладштейн и др., Прямые доказательства механизмов образования наночастиц TiC и интерметаллидов Al3Ti во время синтеза нанокомпозита с металлической матрицей Al/TiC, Acta Materialia (2024). DOI: 10.1016/j.actamat.2024.120189
Информация о журнале: Acta Materialia
Предоставлено Мичиганским университетом