Hiçbir Geleneksel Malzeme Bu Kadar Sağlam Değildir…

16:54:02

Tüm Sıcaklıklarda Eşsiz Güç ve Tokluğa* Sahip Bir Metal Alaşımı

Yeni alaşım, gelecekteki yüksek verimli havacılık motorları için umut vaat ediyor. İyi, hızlı, ucuz: sadece ikisini seçebilirsiniz. Günlük hayatımızda da bunların bazılarından sık sık ödün vermek zorunda kalırız, malzeme bilimcileri için ise ödün vermek işlerinin olmazsa olmazıdır. Ancak bazen, bilim insanlarının pastalarını yemelerine olanak tanıyan nadir bir tek boynuzlu at malzemesi keşfedilir.

ABD’deki araştırmacılar, süper güçlü ve sert olan ve bu özelliklerini hem aşırı düşük hem de yüksek sıcaklıklarda koruyabilen yeni bir metal alaşım geliştirdi. Bu alışılmadık özellik kombinasyonunun elde edilmesinin neredeyse imkansız olduğu düşünülüyor.

Niyobyum, tantal, titanyum ve hafniyumdan oluşan yeni alaşım, yüksek performanslı havacılık motorları ve diğer zorlu teknolojik uygulamalar için çok uygun görünüyor.

“Isıyı elektriğe veya itme gücüne dönüştürmenin verimliliği yakıtın yakıldığı sıcaklığa göre belirlenir – ne kadar sıcaksa o kadar iyidir. Ancak çalışma sıcaklığı, buna dayanması gereken yapısal malzemelerle sınırlıdır” diyor Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı‘nda doktora öğrencisi olan ilk yazar David Cook.

“Şu anda yüksek sıcaklıklarda kullandığımız malzemeleri daha da optimize etme becerimiz tükendi ve yeni metalik malzemelere büyük ihtiyaç var. Bu alaşım da bu konuda umut vaat ediyor.”

Benzeri Görülmemiş Malzeme Tokluğu
Alaşımlar, iki veya daha fazla metalin eritilmesi ve karıştırılmasıyla oluşturulur. Çoğu alaşım, erimiş karışıma eklenen diğer metaller veya elementlerle birlikte bir ana metalden yapılır. Örneğin sıradan çelik %90 kadarı demirden yapılır ve geri kalanı ise karbon, manganez, krom, nikel, molibden ve vanadyum gibi elementlerden oluşur.

Ancak bu yeni alaşım, refrakter yüksek entropi alaşımları (RHEA’lar) veya orta entropi alaşımları (RMEA’lar) olarak bilinen bir alaşım sınıfına aittir. Bu alaşımlar, her biri çok yüksek erime noktalarına sahip neredeyse eşit miktarda elementten oluşan bileşimleriyle tanımlanır ve bu da bazı çok ilginç özellikler ortaya çıkarır.

Tipik olarak, RHEA‘lar ve RMEA‘lar mukavemetleriyle bilinirler ancak düşük kırılma tokluğundan muzdariptirler. Yani, stres altında kırılmaya yatkındırlar. Ancak bu özel alaşım (Nb45Ta25Ti15Hf15), oda sıcaklığında tipik RMEA‘lardan 25 kat daha fazla kırılma tokluğu sergileyerek bu beklentileri yerle bir ediyor.

Araştırmacılar alaşımı farklı sıcaklıklarda zorlayarak mukavemetini ve tokluğunu -196°C’de (sıvı nitrojen sıcaklığı), 25°C’de (oda sıcaklığı) ve şaşırtıcı bir şekilde 1200°C’ye kadar çeşitli yüksek sıcaklıklarda test ettiler. Dikkat çekici bir şekilde, alaşım yüksek mukavemetini korudu ve test edilen tüm koşullarda kırılma direncini sürdürdü. Başka hiçbir geleneksel malzeme bu kadar sağlam değildir.

Tokluk Katan Bir ‘Kusur’
Ortak yazar Punit Kumar bir basın açıklamasında “Ekibimiz daha önce RHEA’lar ve RMEA’lar üzerinde çalışmalar yaptı ve bu malzemelerin çok güçlü olduğunu, ancak genellikle son derece düşük kırılma tokluğuna sahip olduğunu gördük, bu nedenle bu alaşım olağanüstü yüksek tokluk gösterdiğinde şok olduk” dedi.

Ekip, bu alaşımın neden beklenenden bu kadar farklı davrandığını anlamak için gelişmiş görüntüleme teknikleri kullandı. Özellikle Berkeley Lab’ın Moleküler Dökümhanesi‘nde dört boyutlu taramalı transmisyon elektron mikroskobu (4D-STEM) kullandılar. Bu incelemeler, alaşımın tokluğundan sorumlu mikroyapısal mekanizmanın bükülme bandı olarak bilinen bir kusur içerdiğini ortaya koydu.

Cook, “İlk kez, atomlar arasında keskin bir çatlağın varlığında, bükülme bantlarının aslında hasarı uzağa dağıtarak, kırılmayı önleyerek ve olağanüstü yüksek kırılma tokluğuna yol açarak bir çatlağın yayılmasına direndiğini tespit ettik” dedi.

Sonuçlar umut verici olmakla birlikte, alaşımın jet türbin motorları veya roket itici nozulu gibi uzay aracı bileşenleri gibi ticari uygulamalarda kullanılabilmesi için daha fazla araştırma ve test yapılması gerekecektir.

Bu içeriği beğendiyseniz lütfen çevrenizle paylaşınız…