Forbedret nanokristallinsk legering kan revolusjonere luftfart & bil

Som navnet antyder, er nanokrystaller små partikler. Disse partiklene er krystallinske elementer med minst én dimensjon mindre enn 1,000 nanometres, hvor en nanometer er en milliarddel av en meter.

Nanopartikler som er så små som under 10 nanometer blir kvanteprikker. Journal of Biotechnology gir omfattende innsikt i nanopartiklers klassifisering, deres fysikokjemiske egenskaper, karakterisering og anvendelse.

Nanomaterialer varierer i dimensjon. For eksempel kan de være null-dimensjonale, én-dimensjonale, to-dimensjonale og tre-dimensjonale. De kan bidra til å danne fullerenes, nanotuber, nanohorn, nanosheets, nanolag, nanotråder og nanotube-arrays.

De kan være organiske, karbonbaserte eller uorganiske. Og viktigst av alt, nanopartikler har et bredt spekter av egenskaper, inkludert mekaniske, termiske, magnetiske, elektroniske & optiske, eller katalytiske. Et så bredt bruksområde gjør nanokrystaller fordelaktige og egnet for å lage banebrytende løsninger for fremtiden. 

Utviklingen innen nanokrystaller har født nanokristallinske legeringer. Forskere anser disse legeringene som spesielt betydningsfulle for deres unike hydrogeneringsegenskaper. Disse legeringene har vanligvis en kornstørrelse på mindre enn 50 nanometer. En ny forskningspublikasjon fra Cornell University hevder at nanoskalatilpasninger hjelper legeringer å tåle høyhastighetsimpakter. 

I det kommende segmentet går vi dypere inn for å forstå hvorfor denne forskningen er et gjennombrudd.

Adressere deformasjon i krystaller og sprøhet i metaller

Dislokasjoner spiller en betydelig rolle i plastisk deformasjon i krystaller. Ved ekstreme tøyningshastigheter skifter bevegelsen fra termisk aktivert glide til ballistisk transport, noe som forårsaker betydelig motstand på grunn av interaksjoner med fononer. Dette er årsaken til sprøhet og svikt i metaller.

I forskningen vi diskuterer her presenterer forskere bevis som viser at i Cu-3Ta, en termomekanisk stabil nanokristallinsk legering¹, er fononmotstanden helt undertrykt selv ved ultra-høye tøyningshastigheter (10^9 s−1). Dette skjer på grunn av den stabile innkapslingen av dislokasjoner innen flere nanometer, som begrenser deres hastighet og interaksjon med fononer.

Studien indikerer at i innkapslede miljøer er dislokasjon-fononmotstanden minimal, noe som potensielt kan forbedre materialytelsen under ekstreme forhold.

Alt dette kan høres svært teknisk ut. I neste segment kan vi forstå fenomenet i hvordan det manifesterer seg i praksis. 

Designe metaller og legeringer som kan tåle ekstreme påvirkninger

I mer forståelige termer har samarbeidet ledet av Cornell utviklet en ny metode for å designe metaller og legeringer som kan tåle ekstreme påvirkninger. Forskerne har oppnådd dette ved å introdusere hastighetsbump på nanometerskala som undertrykker en grunnleggende overgang som styrer hvordan metalliske materialer deformeres.

Forskerne vil at vi skal forestille oss et scenario hvor et metallisk materiale blir truffet med ekstrem høy hastighet, likt det som skjer i veitrafikkulykker og ballistiske påvirkninger. Sprøhet får materialet til å sprekke og svikte, og kan forstås som tap av duktilitet på grunn av rask deformasjon. 

Forskerne utforsker deretter faktorene som bidrar til metallers formbarhet. Denne formbarheten er resultatet av små defekter eller dislokasjoner som beveger seg gjennom krystallkornene til de møter en barriere. Dislokasjonens hastighet akselererer under raske, ekstreme tøyninger. Denne økte eller akselererte dislokasjonen – ofte forekommende ved hastigheter på kilometer per sekund – begynner å interagere med gittervibrasjoner, eller fononer, og skaper betydelig motstand. Denne interaksjonen fører til slutt til ballistisk transport fra en termisk aktivert glide, noe som forårsaker betydelig drag og sprøhet. 

Hva gjør forskerne for å kontrollere slike feil?Mostafa Hassani, assisterende professor ved Sibley School of Mechanical and Aerospace Engineering og Department of Materials Science and Engineering ved Cornell Engineering, har følgende å si:

“For å undertrykke ballistisk dislokasjonstransport og den resulterende fononmotstanden, bruker vi konseptet med å innkapsle dislokasjonenes bevegelse, deres glide, til nanometerskala.”

Mostafa Hasani ledet teamet av Cornell-forskere som samarbeidet med forskere fra Army Research Laboratory (ARL). For å finne en løsning, laget teamet en nanokristallinsk legering, kobber-tantal (Cu-3Ta). 

Kobber ble valgt fordi de nanokristallinske kornene var så små at dislokasjonenes bevegelse ble iboende begrenset. Tantal tilførte verdi ved ytterligere å innkapsle bevegelsen gjennom sine nanometerklustre som finnes inne i kornene.

Klikk her for å lære alt om den revolusjonerende Ti-AL legeringen.

Gjennomføring av eksperimentet i laboratoriet

Forskerne brukte en spesialbygd bordplattform som skjøt av runde mikroprosjektiler på 10 mikrometer i størrelse, via en laserpuls, og nådde hastigheter på opptil 1 kilometer per sekund – raskere enn et fly. Når mikroprosjektilene traff et målemateriale, ble påvirkningen registrert av et høyhastighetskamera.

Som en del av eksperimentet kjørte forskerne det først med ren kobber og deretter med kobber-tantal. For å tilføre variasjon til testscenarioet, gjentok forskerne eksperimentet også med en lavere hastighet ved hjelp av en sfærisk spiss som gradvis ble presset inn i underlaget, og laget en innrykk. 

Ved måling ved høye hastigheter så forskerne på data relatert til påvirknings- og sprettfart samt partikkelstørrelse. Riktig behandling av dataene var avgjørende, da det kunne hjelpe med å isolere bidraget fra dislokasjon-fononmotstand og systematisk undertrykke dette bidraget. 

Undertrykkelsen var definitivt effektiv og ga resultater som i et konvensjonelt metall eller legering; dislokasjoner kunne bevege seg flere titalls mikrometer uten hindringer. Men i nanokristallinsk kobber-tantal kunne dislokasjonene knapt bevege seg mer enn noen få nanometer, som er 1,000 ganger mindre enn en mikrometer, før de ble stoppet i sine spor.

Denne funnet oppsummerer forskningsgjennombruddet. Mens sprøhet kunne undertrykkes effektivt, var det første gang forskerne så slik oppførsel ved så høy hastighet. 

Fremover planlegger forskerne å utvide sitt forslag fra å bli testet på én mikrostruktur og én sammensetning til å justere sammensetning og mikrostrukturer og kontrollere dislokasjon-fononmotstanden. Vil de kunne forutsi omfanget av dislokasjon-fononinteraksjonene? Det er noe fremtidige eksperimenter på området vil avklare. 

Selv om fremtiden byr på mange løfter og er full av muligheter, er anvendeligheten av forskningen allerede godt etablert. Resultatene, som sitert i artikkelen, kan føre til utvikling av biler, fly og rustninger som bedre kan tåle høyhastighetsimpakter, ekstrem varme og stress. 

Virkelige anvendelser & tidslinje

Bransjeanalytikere og eksperter tror at dette fremskrittet kan føre til utvikling av mer slagfast materiale for bruk i biler, fly og beskyttelsesrustning, med potensielle kommersielle anvendelser som kan dukke opp innen de neste 5 til 10 år etter hvert som teknologien modnes og integreres i produksjonsprosesser.​

Slagfasthet er en avgjørende egenskap for materialer, spesielt for materialer som brukes i produksjon. Denne egenskapen gjør at et materiale kan tåle plutselige, høy-kraft påvirkninger uten å brekke eller deformeres. Å ha en grundig forståelse av slagfaste materialer er viktig når man håndterer anvendelser innen bilindustri, luftfart, industrielt utstyr og forbrukerprodukter.

Luftfartsstrukturer er utsatt for en rekke påvirkningsbelastninger under sin tjeneste, fra fugletreff, haglslag og motorvifteblad-utslag. Slagfasthet er derfor en av de mest kritiske vurderingsfaktorene for design av luftfartsstrukturer, da den påvirker sikkerhet, pålitelighet og kostnad for luftfartsstrukturer.

Forskningen kan bidra til å oppnå forbedrede standarder for slagfasthet. Det er en kritisk parameter for å oppnå suksess ettersom påvirkningsbelastning kan variere raskt over tid, og forårsake materialdeformasjon ved høye tøyningshastigheter.

Det vitenskapelige samfunnet anser tøyningshastighetsavhengige mekaniske egenskaper og sviktkarakteristikker for materialer som avgjørende for sikker design av ingeniørstrukturer. Diskusjonen i forskningen kan betydelig forbedre dette aspektet. Imidlertid mener forskere at vurdering av luftfartsstrukturer under påvirkningsbelastninger gir utfordringer i høy-nøyaktig eksperimentell karakterisering og konstitutiv modellering, høy-effektiv beregnings- og simuleringsmetoder, samt utvikling av nye anti-impakt- og energibindende strukturer.

Frontal- og sidekollisjonsmotstand er viktige faktorer i vurderingen av en bils robusthet. I Latin New Car Assessment Programme, for eksempel, utføres frontal kollisjon ved 64kph (40mph) når bilen krasjer inn i en deformerbar barriere med 40% av bredden foran på førerens side (offset). 

Mer viktig er parameteren for sidekollisjonsmotstand, da sidekollisjoner står for den nest høyeste frekvensen av dødsfall og alvorlige skader i regioner som Europa. For å måle sidekollisjonsmotstand, i henhold til standardene i Latin NCAP, monteres en deformerbar barriere på en tralle og kjøres i 50 km/h inn i siden av den stillestående testbilen i rett vinkel. 

Dette er svært viktige sikkerhetstester. De hjelper med å fastsette sikkerhetsstandardene for et kjøretøy. For en produsent er denne parameteren av største betydning. Høy slagfasthetsstandard bidrar til å skape tillit til et bilmerke i markedet. 

Den nåværende forskningen fra Cornell University-teamet vil bidra til å forbedre slagfasthet, kollisjonsmotstand og krasjmotstand for kjøretøy med et betydelig margin. Det vil bidra til å revolusjonere disse industriene ved å bygge strukturer og kjøretøy som er betydelig sikrere enn dagens eksisterende løsninger. 

Imidlertid, for at forskningen skal gi resultater, trenger vi selskaper som kan hjelpe med å implementere forskningsbaserte løsninger på kommersiell skala. I neste avsnitt diskuterer vi et banebrytende selskap i dette området, ATI Inc. (ATI ), en leder innen produksjon av avanserte spesialmaterialer og komponenter, inkludert høyytelseslegeringer brukt i luftfart og forsvarsapplikasjoner.

Innovativt selskap

ATI Inc. (ATI )

ATI Inc. er en leverandør av mange tjenester. De hevder å løse verdens utfordringer gjennom materialvitenskap ved å gjøre det mulig for sine kunder, gjennom deres materialer, å gjøre fantastiske ting – fra å drive jetmotorer ved 2800 grader Fahrenheit til å utstyre nasjonens forsvar for å trygt og effektivt transportere svært korrosive væsker og eksosstrømmer, til å muliggjøre livsendrende medisinske innsikter. 

Selskapet betjener en rekke industrier, inkludert luftfart, forsvar, energi, medisinsk og elektronikk. De produserer en rekke høyytelsesmaterialer og komponenter, samt avanserte legeringer og løsninger. 

Høyytelsesmaterialer og komponenter fra ATI Inc. 

Selskapets segment for høyytelsesmaterialer og komponenter er ansvarlig for å produsere, konvertere og distribuere materialer som møter behovene til avanserte sluttbrukermarkeder som luftfart og forsvar, olje- og gass/kjemisk prosessindustri, elektrisk energi, og medisinsk.

Materialer levert av selskapet under denne kategorien inkluderer titan og titanbaserte legeringer, nikkel- og koboltbaserte legeringer og superlegeringer, avanserte pulverlegeringer, og andre spesialmetaller i lange produktformer, som ingot, billet, stang, stang, tråd, former, og rektangler, samt sømløse rør, pluss flowform-deler, presisjonsstøping og maskindeler. 

Selskapet tilbyr en fullt integrert tjeneste som starter fra leveranse av råmaterialer (svamp) til smelting, omsmelting, sluttbehandling, smiing og maskinering i sine titan- og titanlegerings- samt zirkonium- og hafniumlegeringsprodukter. 

Spesialmateriale-segmentet i selskapet sikrer at materialer som titan, nikkel, kobolt og stål, legerte sammen gjennom presise formler og komplekse prosesser, utvikler motstand mot slitasje, varme og korrosjon. 

ATI sine nikkel- og koboltbaserte legeringer og superlegeringer brukes for eksempel i jetmotorer, gasturbiner, kjemisk prosessering, petroleumsraffinering, maritim, elektronikk og andre applikasjoner hvor vanlige rustfrie stål kanskje ikke gir tilstrekkelig ytelse.

I kategorien for titan- og titanlegeringsprodukter produserer ATI høystyrke, kommersielt rent titan og titanlegeringsprodukter i flatevalset og lange former, nettformer og komponenter.

Det er også involvert i produksjon av kommersielt rent titan og titanlegeringer som nær-nett-formet titanpulvermetall, titanaluminider, høyt utviklede titanstøperier og titanforginger, samt maskinerte titankomponenter.

Spesialstålprodukter produsert av ATI er kjent for sin korrosjons- og varmebestandighet. Disse stållegeringene brukes i ulike industrier, inkludert luftfart og forsvar, kjemisk prosessindustri, olje og gass, elektrisk energi, medisinsk, bilindustri, matutstyr og apparater, bygg, gruvedrift, transport og elektronikk.

ATI sine nikkel- og koboltbaserte legeringer og superlegeringer brukes i jetmotorer, gasturbiner, kjemisk prosessering, petroleumsraffinering, maritim, elektronikk og andre applikasjoner som komplementære løsninger for tilfeller hvor vanlige rustfrie stål kanskje ikke gir tilstrekkelig ytelse.

Alt i alt opererer ATI gjennom et bredt spekter. De tilbyr ulike løsninger til en rekke industrier gjennom sin banebrytende materialvitenskapelige ekspertise. 

I Q4 2024 økte ATI sin inntekt med 12 % sekvensielt til 1,2 milliarder dollar. Justert EBITDA var 210 millioner dollar, over selskapets veiledede område på 181 millioner til 191 millioner dollar. På helårsbasis var inntekten nesten 4,4 milliarder dollar, ATIs høyeste siden 2012. Justert EBITDA var 729 millioner dollar. Og EBITDA-marginene var nesten 17 %. 

Når det gjelder slagfasthet spesielt, har ATI mange materialer i sin portefølje. Dens ATI 302™ (S30200), ATI 304™ (S30400), ATI 304L™ (S30403) og ATI 305™ (S30500) ruststål er for eksempel kjent for sin slagfasthet. Dette settet av anløpte austenittiske ruststål opprettholder høy slagfasthet selv ved kryogene temperaturer, en egenskap som, i kombinasjon med deres lavtemperaturstyrke og bearbeidbarhet, har ført til bruk i håndtering av flytende naturgass og andre kryogene miljøer. 

ATI 625™-legeringen (UNS-designasjon N06625) er en austenittisk nikkelbasert superlegering med utmerket motstand mot oksidasjon og korrosjon over et bredt spekter av korrosive forhold, inkludert jetmotor-miljøer og mange andre luftfarts- og kjemiske prosessapplikasjoner. Produktet opprettholder høy slagfasthet ved lave temperaturer. 

Dette er bare noen få eksempler. Det finnes mange flere sofistikerte materialløsninger fra ATI. 

Siste nyheter om ATI Inc.

Fremtiden for nanokristallinske legeringer

Fremtiden for nanokristallinske legeringer er full av løfter. Nanokristallinske magnesiumbaserte legeringer har tiltrukket forskningsinteresse for deres potensial til å forbedre hydreringkinetikk ved milde eller til og med romtemperatur. Disse legeringene har også vist sin effektivitet i å senke hydrogenutløsnings temperaturen. 

De magnesiumbaserte nanokristallinske legeringene fremstilt ved mekanisk legering viser betydelig forbedret hydreringkinetikk ved moderate temperaturer. 

Forskning utført det siste tiåret har vist at FoU-innsats i nanokristallinske materialer, når de er riktig modifisert, kan gi revolusjonerende bidrag til forbedring av materialegenskaper. Disse egenskapene inkluderer kinetikk og termodynamikk, struktur, mikrostruktur, samt indre og ytre magnetiske egenskaper.

Nanoingeniørkunst av metalliske materialer har også blitt et viktig studieområde. Nanostrukturerte materialer kan være nye, men de har allerede funnet ingeniørapplikasjoner som krever produksjon i betydelige mengder tonn. Mer enn 30 000 tonn per år av de myke magnetiske nanokristallinske legeringene produseres ved krystallisering av RSP amorfe bånd.

Forskning markerer nanokristallinske WC-Co-kompositter som en tidlig suksess, med deres overlegne hardhet, seighet og slitestyrke, og gir høyytelses maskinverktøy. Den svært fine strukturen til de nanokristallinske verktøyene lover overlegen finboring og skjærepåvirkning i mikro-maskinering. I henhold til offentlig tilgjengelige vitenskapelige rapporter og studier viser nanokompositt-aluminium- og magnesiumlegeringer med høy volumsfraksjon av nanoskalaprekipit svært høy styrke og moderat duktilitet.

Imidlertid har disse materialene kun blitt produsert i relativt små mengder og har ikke nådd kommersiell anvendelse. Bulk amorf legeringsavledede nanokristallinske materialer har høy styrke og moderat seighet. Likevel kreves videre utvikling for å oppnå duktilitet og seighet for kritiske ingeniørapplikasjoner. 

Alt i alt tilsvarer nanokristallinske legeringer et vitenskapelig felt som blomstrer med innovasjonspotensial og banebrytende oppdagelsesmuligheter. Over tid vil det revolusjonere mange andre felt, som luftfart og bilindustri, uten tvil.

Klikk her for å lære om Rhenium, det høyytelses luftfartsmaterialet.

Studier referert:

1. Tang, Q., Li, J., Hornbuckle, B. C., et al. (2025). Suppressed ballistic transport of dislocations at strain rates up to 10^9 s–1 in a stable nanocrystalline alloy. Communications Materials, 6(43). https://doi.org/10.1038/s43246-025-00757-8