Förbättrad nanokristallin legering kan revolutionera flyg- och bilindustrin

Som namnet antyder är nanokristaller små partiklar. Dessa partiklar är kristallina element med minst en dimension mindre än 1 000 nanometer, där en nanometer är en miljarddel av en meter.

Nanopartiklar som är så små som under 10 nanometer blir kvantprickar. Journal of Biotechnology erbjuder omfattande insikter om nanopartikelklassificering, dess fysikalisk-kemiska egenskaper, karakterisering och tillämpning.

Nanomaterial varierar i fråga om deras dimension. Till exempel kan de vara noll-dimensionella, en-dimensionella, två-dimensionella och tre-dimensionella. De kan bidra till att bilda fulleren, nanotuber, nanohorn, nanoskikt, nanolager, nanotrådar och nanotubarrayer.

De kan vara organiska, kolbaserade eller oorganiska. Och viktigast av allt har nanopartiklar ett brett spektrum av egenskaper, inklusive sådana som kan vara mekaniska, termiska, magnetiska, elektroniska & optiska eller katalytiska. Ett så brett användningsområde gör nanokristaller fördelaktiga och bidrar till att skapa banbrytande lösningar för framtiden. 

Utvecklingen inom nanokristallområdet har gett upphov till nanokristallina legeringar. Forskare anser att dessa legeringar är särskilt betydelsefulla för deras unika hydratiseringsegenskaper. Dessa legeringar har vanligtvis en kornstorlek på mindre än 50 nanometer. En ny forskningspublikation från Cornell University påstår att nanoskaliga justeringar hjälper legeringar att stå emot högfartspåverkningar. 

I det kommande avsnittet fördjupar vi oss för att förstå varför denna forskning är ett genombrott.

Hantera deformation i kristaller och sprödhet i metaller

Dislokationer spelar en betydande roll i plastisk deformation i kristaller. Vid extrema töjningshastigheter skiftar deras rörelse från termiskt aktiverad glidning till ballistisk transport, vilket orsakar betydande motstånd på grund av interaktioner med fononer. Detta är orsaken till sprödhet och brott i metaller.

I den forskning vi diskuterar här presenterar forskare bevis som visar att i Cu-3Ta, en termomekaniskt stabil nanokristallin legering¹, är fonondragseffekten helt undertryckt även vid ultrahöga töjningshastigheter (10^9 s−1). Detta sker på grund av den stabila inneslutningen av dislokationer inom flera nanometer, vilket begränsar deras hastighet och interaktion med fononer.

Studien indikerar att i begränsade miljöer är dislokations-fonondragseffekten minimal, vilket potentiellt förbättrar materialprestanda under extrema förhållanden.

Allt detta kan låta mycket tekniskt. I nästa avsnitt kan vi förstå fenomenet i hur det manifesteras i praktiken. 

Designa metaller och legeringar som klarar extrema påverkningar

I mer begripliga termer har det Cornell-ledda samarbetet utvecklat en ny metod för att designa metaller och legeringar som kan stå emot extrema påverkningar. Forskarna har uppnått detta genom att införa hastighetsbultar på nanometerskala som undertrycker en grundläggande övergång som styr hur metalliska material deformeras.

Forskarna vill att vi föreställer oss ett scenario där ett metalliskt material träffas med extrem hög hastighet, liknande vad som sker vid motorvägskollisioner och ballistiska påverkningar. Sprödhet får materialet att gå sönder och misslyckas och kan förstås som förlust av duktilitet på grund av snabb deformation. 

Forskare utforskar sedan faktorerna som bidrar till metallers formbarhet. Denna formbarhet är resultatet av små defekter eller dislokationer som färdas genom kristallkornet tills de möter ett hinder. Dislokationens hastighet accelererar under snabba, extrema töjningar. Denna ökade eller accelererade dislokation – ofta vid hastigheter på kilometer per sekund – börjar interagera med gittervibrationer, eller fononer, vilket skapar ett betydande motstånd. Denna interaktion leder så småningom till ballistisk transport från en termiskt aktiverad glidning, vilket orsakar betydande drag och sprödhet.

Vad gör forskarna för att kontrollera sådana fel? Mostafa Hassani, assisterande professor vid Sibley School of Mechanical and Aerospace Engineering och Department of Materials Science and Engineering vid Cornell Engineering, har följande att säga:

“För att undertrycka ballistisk dislokationstransport och den resulterande fonondraget använder vi konceptet att begränsa dislokationernas rörelse, deras glidning, till nanometerskala.”

Mostafa Hasani ledde teamet av Cornell-forskare som arbetade tillsammans med forskare från Army Research Laboratory (ARL). För att utveckla en lösning skapade teamet en nanokristallin legering, koppar-tantal (Cu-3Ta). 

Koppar valdes eftersom dess nanokristallina korn var så små att dislokationernas rörelse blev inneboende begränsad. Tantal tillförde värde genom att ytterligare begränsa rörelsen via sina nanometerkluster som finns inuti kornen.

Klicka här för att lära dig allt om den revolutionerande Ti-AL-legeringen.

Genomförandet av experimentet i laboratoriet

Forskarna använde en specialbyggd bordsplattform som avfyrade sfäriska mikroprojektiler, 10 mikrometer stora, med en laserpuls, vilket nådde hastigheter på upp till 1 kilometer per sekund – snabbare än ett flygplan. När mikroprojektilerna träffade ett målmaterial registrerades påverkan av en högupplöst kamera.

Som en del av experimentet körde forskarna det först med ren koppar och sedan med koppar-tantal. För att variera testsituationen upprepade forskarna också experimentet i en långsammare takt med ett sfäriskt verktyg som gradvis trycktes in i substratet och gjorde ett intryck. 

Vid mätning av hög hastighet granskade forskarna data relaterade till påverknings- och återstudshastigheter samt partikelstorlek. En korrekt behandling av data var avgörande, eftersom den kunde hjälpa till att isolera bidraget från dislokations-fonondrag och systematiskt undertrycka detta bidrag. 

Undertryckningen var definitivt effektiv och gav resultat som i ett konventionellt metall eller legering; dislokationer kunde färdas flera tiotals mikrometer utan hinder. Men i nanokristallin koppar-tantal kunde dislokationerna knappt röra sig mer än några nanometer, vilket är 1 000 gånger mindre än en mikrometer, innan de stoppades i sina spår.

Detta fynd sammanfattar forskningsgenombrottet. Även om sprödhet kunde undertryckas effektivt, var det första gången forskarna såg ett sådant beteende vid så hög hastighet. 

Framöver planerar forskarna att utöka sitt förslag från att tillämpas på en mikrostruktur och en sammansättning till att finjustera sammansättningen och mikrostrukturerna samt kontrollera dislokations-fonondraget. Skulle de kunna förutsäga omfattningen av dislokations-fononinteraktionerna? Det är något framtida experiment inom området kan svara på. 

Även om framtiden bär på många löften och är full av möjligheter, är tillämpbarheten av forskningen redan väl etablerad. Resultaten, som citeras i artikeln, kan leda till utveckling av bilar, flygplan och pansar som bättre kan uthärda högfartspåverkningar, extrem värme och påfrestning. 

Verkliga tillämpningar och tidslinje

Branschanalytiker och experter tror att detta framsteg kan leda till utveckling av mer slagresistenta material för användning i bilar, flygplan och skyddspansar, med potentiella kommersiella tillämpningar som kan dyka upp inom de kommande 5 till 10 åren när teknologin mognar och integreras i tillverkningsprocesser.​

Slagresistens är en avgörande egenskap för material, särskilt för material som används i tillverkning. Denna egenskap gör det möjligt för ett material att stå emot plötsliga, högkraftspåverkningar utan att gå sönder eller deformeras. Att ha en korrekt förståelse för slagresistenta material är avgörande när man hanterar tillämpningar inom fordons-, rymd- och industriell utrustning samt konsumentprodukter.

Rymdstrukturer är sårbara för en rad påverkningar under sin tjänst, från fågelkollisioner, hagelpåverkningar och motorfläktbladutsläpp. Slagresistens är därför en av de mest kritiska faktorerna för utvärdering av rymdstruktursdesign eftersom den påverkar säkerhet, tillförlitlighet och kostnad för rymdstrukturer.

Forskningen kan hjälpa till att uppnå förbättrade standarder för slagresistens. Det är en avgörande parameter för att lyckas eftersom påverkningar kan variera snabbt över tid, vilket orsakar materialdeformation under höga töjningshastigheter.

Den vetenskapliga gemenskapen anser att töjningshastighetsberoende mekaniska egenskaper och materialens brottkarakteristik är avgörande för säker design av ingenjörsstrukturer. Diskussionen i forskningen kan avsevärt förbättra detta område. Dock tror forskare att bedömning av rymdstrukturer under påverkningar medför utmaningar i högupplöst experimentell karaktärisering och konstitutiv modellering, högpresterande beräknings- och simuleringsmetoder samt utveckling av nya anti-påverkning och energibindande strukturer.

Frontal och sidopåverkansresistens är avgörande faktorer vid utvärdering av ett fordons robusthet. I Latin New Car Assessment Programme, till exempel, utförs frontal påverkning vid 64 kph (40 mph) när bilen kraschar in i en deformerbar barriär med 40 % av dess bredd på förarsidan (offset). 

Viktigare är parametern för sidopåverkansresistens, eftersom sidokrascher står för den näst högsta frekvensen av dödsfall och allvarliga skador i regioner som Europa. För att mäta sidopåverkansresistens, enligt Latin NCAP:s standarder, monteras en deformerbar barriär på en vagn och körs i 50 km/h in i sidan av det stillastående testfordonet i rät vinkel. 

Dessa är mycket viktiga säkerhetstester. De hjälper till att bestämma ett fordons säkerhetsstandarder. För en tillverkare är denna parameter av största vikt. Att ha hög slagresistensstandard hjälper till att skapa förtroende för ett bilmärke på marknaden. 

Den nuvarande forskningen från Cornell University-teamet skulle hjälpa till att förbättra slagresistens, kollisionsresistens och kraschresistensparametrar för fordon avsevärt. Det skulle hjälpa till att revolutionera dessa industrier genom att bygga strukturer och fordon som är betydligt säkrare än dagens befintliga lösningar. 

Dock, för att forskningen ska ge resultat, skulle vi behöva företag som kan hjälpa till att implementera forskningsbaserade lösningar i kommersiell skala. I följande avsnitt diskuterar vi ett banbrytande företag inom detta område, ATI Inc. (ATI ), en ledare inom produktion av avancerade specialmaterial och komponenter, inklusive högpresterande legeringar som används i flyg- och försvarsapplikationer.

Innovativt företag

ATI Inc. (ATI )

ATI Inc. är en leverantör av många tjänster. Företaget påstår att lösa världens utmaningar genom materialvetenskap genom att möjliggöra för sina kunder, genom sina material, att göra fantastiska saker – från att driva jetmotorer vid 2800 grader Fahrenheit till att utrusta nationens försvar för att säkert och effektivt transportera mycket korrosiva vätskor och utsläppsgaser, till att möjliggöra livsförändrande medicinska insikter. 

Företaget betjänar en rad industrier, inklusive flyg, försvar, energi, medicin och elektronik. Det tillverkar en mängd högpresterande material och komponenter, samt avancerade legeringar och lösningar. 

Högpresterande material och komponenter av ATI Inc. 

Företagets segment för högpresterande material och komponenter ansvarar för att producera, omvandla och distribuera material som uppfyller behoven hos sofistikerade slutkundsmarknader som flyg och försvar, olje- och gas-/kemisk processindustri, elektrisk energi och medicin.

Material som levereras av företaget under denna kategori inkluderar titan och titanbaserade legeringar, nickel- och koboltbaserade legeringar och superlegeringar, avancerade pulverlegeringar samt andra specialmetaller i långa produktformer, såsom gjutblock, balk, stång, stav, tråd, former och rektanglar, samt sömlösa rör, plus flödesformade delar, precisionssmide och bearbetade delar. 

Företaget erbjuder en helt integrerad tjänst som börjar med leverans av råmaterial (spong) till smältning, omsmältning, efterbehandling, smide och bearbetning i sina titan- och titanlegerings- samt zirkonium- och hafniumlegeringsprodukter. 

Specialmaterialsegmentet i företaget säkerställer att material som titan, nickel, kobolt och stål, legerade tillsammans genom precisa formler och komplexa processer, utvecklar motstånd mot slitage, värme och korrosion. 

ATI:s nickel- och koboltbaserade legeringar och superlegeringar används till exempel i jetmotorer, gasturbiner, kemisk bearbetning, petroleumraffinering, marin, elektronik och andra tillämpningar där vanliga rostfria stål kanske inte ger tillräcklig prestanda.

I kategorin för titan- och titanlegeringsprodukter tillverkar ATI högstyrkt, kommersiellt rent titan och titanlegeringsprodukter i plattvalsade och långa former, nettoshapes och komponenter.

Det är också involverat i produktion av kommersiellt rent titan och titanlegeringar såsom nära-nettoshape titanpulvermetaller, titanaluminider, högtekniska titangjutningar och titanforgingar samt bearbetade titan komponenter.

Specialstålprodukter som tillverkas av ATI är kända för sin korrosions- och värmebeständighet. Dessa stållegeringar används i olika industrier, inklusive flyg och försvar, kemisk bearbetningsindustri, olja och gas, elektrisk energi, medicin, fordonsindustri, livsmedelsutrustning och apparater, bygg, gruvdrift, transport och elektronik.

ATI:s nickel- och koboltbaserade legeringar och superlegeringar används i jetmotorer, gasturbiner, kemisk bearbetning, petroleumraffinering, marin, elektronik och andra tillämpningar som komplementära lösningar för fall där vanliga rostfria stål kanske inte ger tillräcklig prestanda.

Sammanlagt verkar ATI genom ett brett spektrum. Det erbjuder mångsidiga lösningar till en rad industrier genom sin banbrytande materialvetenskapliga expertis. 

Under Q4 2024 ökade ATIs intäkter med 12 % sekventiellt till 1,2 miljarder dollar. Justerad EBITDA var 210 miljoner dollar, över företagets prognostiserade intervall på 181 miljoner till 191 miljoner dollar. På helårsbasis var intäkterna nästan 4,4 miljarder dollar, ATIs högsta sedan 2012. Justerad EBITDA var 729 miljoner dollar. Och EBITDA-marginalerna var nästan 17 %. 

När det gäller slagresistens specifikt har ATI många material i sin portfölj. Dess ATI 302™ (S30200), ATI 304™ (S30400), ATI 304L™ (S30403) och ATI 305™ (S30500) roststål är till exempel kända för sin slagresistens. Detta set av glödgaserade austenitiska roststål behåller hög slagresistens även vid kryogena temperaturer, en egenskap som i kombination med deras lågtemperaturstyrka och bearbetningsbarhet har lett till deras användning vid hantering av flytande naturgas och andra kryogena miljöer.

ATI 625™-legeringen (UNS-designation N06625) är en austenitisk nickelbaserad superlegering som har utmärkt motståndskraft mot oxidation och korrosion över ett brett spektrum av korrosiva förhållanden, inklusive jetmotor-miljöer och många andra flyg- och kemiska processapplikationer. Produkten behåller hög slagresistens vid låga temperaturer.

Detta är bara ett par exempel. Det finns många fler sofistikerade materiallösningar från ATI. 

Senaste om ATI Inc.

Framtiden för nanokristallina legeringar

Framtiden för nanokristallina legeringar är full av löften. Nanokristallina magnesiumbaserade legeringar har väckt forskningsintresse för deras potential att förbättra hydrideringskinetik vid milda eller till och med rumstemperaturer. Dessa legeringar har också visat sin effektivitet i att sänka väteavgasningstemperaturen. 

De magnesiumbaserade nanokristallina legeringarna som framställts genom mekanisk legering uppvisar avsevärt förbättrad hydrideringskinetik vid måttliga temperaturer. 

Forskning som utförts under det senaste decenniet har visat att FoU-ansträngningar inom nanokristallina material, när de modifieras på rätt sätt, kan göra revolutionära bidrag till förbättring av materialegenskaper. Dessa egenskaper inkluderar kinetik och termodynamik, struktur, mikrostruktur samt inneboende och yttre magnetiska egenskaper.

Nanoingenjörskonst av metalliska material har också framträtt som ett avgörande studieområde. Nanostrukturerade material kan vara nya, men de har redan funnit ingenjörsapplikationer som kräver produktion i betydande mängder tonnage. Mer än 30 000 ton per år av de mjuka magnetiska nanokristallina legeringarna produceras genom kristallisering av RSP-amorfa band.

Forskning markerar nanokristallina WC-Co-kompositer som en tidig framgång, med deras överlägsna hårdhet, seghet och slitstyrka, vilket ger högpresterande bearbetningsverktyg. Den mycket fina strukturen hos de nanokristallina verktygen lovar överlägsen fin borrning och skärprestanda inom mikrobearbetning. Enligt offentligt tillgängliga vetenskapliga rapporter och studier visar nanokompositaluminium- och magnesiumlegeringar med en hög volymandel nanoskaliga utfällningar mycket hög styrka och måttlig duktilitet.

Dock har dessa material endast producerats i relativt små mängder och har inte nått kommersiell tillämpning. Bulkamorfala legeringsavledda nanokristallina material har hög styrka och måttlig seghet. Ytterligare utveckling krävs dock för att uppnå duktilitet och seghet för kritiska ingenjörsapplikationer. 

Sammanlagt motsvarar nanokristallina legeringar ett vetenskapligt fält som blomstrar med innovationspotential och banbrytande upptäcktsmöjligheter. Med tiden kommer det säkert att revolutionera många andra områden, som flyg- och bilindustrin.

Klicka här för att lära dig om rhenium, det högpresterande rymdmaterialet.

Studier som refereras:

1. Tang, Q., Li, J., Hornbuckle, B. C., et al. (2025). Undertryckt ballistisk transport av dislokationer vid töjningshastigheter upp till 10^9 s–1 i en stabil nanokristallin legering. Communications Materials, 6(43). https://doi.org/10.1038/s43246-025-00757-8