より強力な合金を作るための直感に反する方法

2023 年 2 月 9 日

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ケリー・オークス著、ノルウェー科学技術大学

人間は何千年もの間、より有用な材料を作り出すために金属を混合してきました。 紀元前 3300 年頃に始まった青銅器時代は、銅と錫の合金である青銅の使用が特徴であり、どちらかの金属単独よりも強度が高かった。

今回、NTNU の研究者らは、はるかに最近の発明である合金元素のナノサイズの粒子を特徴とするナノ粒子合金をさらに強力にする直観に反する方法を発見しました。

アルミニウムは、軽量でありながら耐久性があるため、航空宇宙、輸送、建設業界の部品の製造に広く使用されている金属です。 アルミニウム合金はこれらの品質を保持していますが、アルミニウム単体よりも強度が高くなります。

「もしそれが純粋なアルミニウムだったとしたら、もちろん強度が十分ではありません」とNTNU材料科学工学部物理冶金教授のYanjun Li氏は言う。

しかし近年、銅を含むアルミニウムのナノグレイン合金を作ろうとする研究者らは問題に遭遇した。銅原子は凝集する傾向があり、特に100℃を超える温度では材料内部でアルミニウムと粗大粒子を形成する。

銅が材料全体に均一に分散されなくなると、合金は弱くなります。

「それらは一緒に蓄積し、大きな粒子を形成します」とリー氏は言う。 「これらの粒子が大きいと、実際には強度が低下する可能性があります。」

銅原子は、移動できるいわゆる空孔、つまり原子が占有していない空間がある場合、材料中を移動できます。

そのため研究者らは、原子の移動能力を低下させるために空孔の数を最小限に抑えようと努めてきた。

「空孔がなければ、当然、原子は移動できません」とリー氏は言う。

しかし今回、リー氏らは空孔の数を増やし、同時に得られる合金の強度を高める方法を発見した。

Nature Communications誌に掲載された研究では、研究者らは銅原子だけでなくスカンジウム原子もアルミニウムに加え、同時に空孔の数も増やした。

スカンジウム原子と銅原子は空孔とともに、材料中を容易に移動できない構造を形成しました。

「彼らは共に非常に安定しています」とリーは言う。 「彼らの誰もが動くことがさらに困難になります。」

新しいスカンジウム - 銅構造のおかげで、合金が 200°C で 24 時間加熱された場合でも、以前は形成されていたであろう大きなアルミニウム - 銅粒子が完全に抑制されました。

この安定性は、銅原子が材料全体に均一に分布したままであり、合金が追加の強度を維持することを意味します。

研究チームは、材料内部の原子レベルで何が起こっているかを見ることを可能にする技術であるアトムプローブトモグラフィー（APT）を使用して、銅-スカンジウム-空孔クラスターを観察しました。

博士号学生のハンネ・ソライデ氏は、NTNU ナノラボの集束イオンビームを使用して、直径わずか 50 nm の非常に細い合金の針を作成しました。 次に、彼女はアトムプローブを使用して針の先端から原子を 1 つずつ蒸発させ、検出器が原子に関する情報を捕捉しました。

「異なる原子はより速く飛ぶことも、より遅く飛ぶこともできます」とリー氏は言う。

この情報を使用して、研究者らは各原子が物質内のどこにもともと存在していたのかを示す画像を再構築しました。 彼らは、2 つの異なる合金元素の原子がアルミニウムの内部で結合していることを発見しました。