Theorie maakt vinden nieuwe legeringen gemakkelijker

De eigenschappen van een legering zijn afhankelijk van de samenstelling op atomaire schaal. Maar het aantal mogelijke legeringen is astronomisch. Samen met een internationaal team heeft RUG ingenieur Francesco Maresca een theoretisch model ontwikkeld waarmee hij snel de sterkte bij hoge temperatuur van miljoenen verschillende legeringen kan voorspellen. Experimenten bevestigen dat die voorspellingen kloppen. Deze bevindingen zijn op 16 september gepubliceerd in het tijdschrift Nature Communications.

De ontdekking dat ijzer sterker wordt door er wat koolstof aan toe te voegen was een van de stappen die leidden tot de Industriële Revolutie. ‘Het aanpassen van de samenstelling van een basismetaal door de toevoeging van verschillende elementen, zodat een legering ontstaat, is zeer belangrijk in de geschiedenis van de mensheid’, zegt Francesco Maresca, adjunct hoogleraar aan het Engineering and Technology institute Groningen (ENTEG) van de RUG. Als civiel ingenieur houdt hij vooral van grote structuren, zoals bruggen. Maar nu bestudeert hij metalen op atomaire schaal, om de beste legeringen te vinden voor specifieke toepassingen.

Dislocatie

Maresca is vooral geïnteresseerd in hoge-entropie legeringen, die zo’n twintig jaar geleden voor het eerst zijn beschreven. Dit zijn complexe legeringen met vijf of meer toegevoegde elementen, die allerlei nuttige eigenschappen kunnen hebben. Maar hoe vind je de beste legering? ‘Er zijn zo’n veertig metalen die niet radioactief of giftig zijn en dus geschikt voor gebruik in legeringen. Daarmee zijn er ruwweg 10⁷⁸ verschillende samenstellingen’, legt hij uit. Het is dus onmogelijk om een aanzienlijk deel hiervan te testen door ze te maken.

Daarom ging Maresca op zoek naar een goede theorie die belangrijke eigenschappen van hoge-entropie legeringen beschrijft. Een van die eigenschappen is sterkte bij hoge temperatuur, wat belangrijk is voor toepassingen van turbines tot kernreactoren. De kracht van een legering hangt vooral af van de kristalstructuur. ‘Perfecte kristallen zijn het sterkst, maar die bestaan niet in echte materialen.’ Een belangrijke factor die sterkte bij hoge temperatuur bepaalt in legeringen van zogeheten kubisch ruimtelijk gecentreerde kristallen is een proces dat schroef-dislocatie heet, waarbij de atomen in een deel van de gelaagde structuur van het kristal een helix-patroon gaan vormen. ‘Deze dislocaties zijn heel lastige te modelleren op atomaire schaal’, legt Maresca uit.

Samenstelling

Een ander soort defect in deze kristallen is randdislocatie, waarbij een extra laag in de kristalstructuur ontstaat. Maresca: ‘Er werd aangenomen dat dit type dislocatie geen effect heeft op de sterkte bij hoge temperatuur, op basis van experimenten met zuivere materialen. Maar wij ontdekten dat het wel degelijk de sterkte van complexe legeringen kan beïnvloeden.’ Randdislocatie is veel eenvoudiger te modelleren, dus maakte Maresca een atomair model voor dit soort dislocaties in hoge-entropie legeringen. Dat vertaalde hij vervolgens naar een script voor het veelgebruikte simulatieprogramma MATLAB, waarmee hij de sterkte van miljoenen legeringen bij hoge temperatuur in enkele minuten kan voorspellen.

De uitkomst van de simulatie is een grafiek van sterkte uitgezet tegen temperatuur voor de verschillende legeringen. ‘Met onze resultaten kun je bijvoorbeeld zien welke legeringen je een specifieke sterkte geven bij bijvoorbeeld 1300 graden Kelvin. Op die manier kun je de eigenschappen van materiaal bij hoge temperaturen uitkiezen.’ De theoretische resultaten zijn te gebruiken om legeringen met nieuwe eigenschappen te maken, of alternatieve samenstellingen voor bestaande legeringen te vinden wanneer bijvoorbeeld een van de benodigde elementen moeilijk te krijgen is. Het model is gevalideerd door twee verschillende legeringen te maken en de voorspelde sterkte in de praktijk te meten. Met experimentele technieken is bovendien bevestigd dat randdeformatie daarvoor inderdaad belangrijk is.

Verrassing

‘We hebben ook een model gemaakt voor schroefdislocaties, maar dat was te complex voor dezelfde grootschalige en snelle analyse als bij randdeformatie’, zegt Maresca. Dit model bevestigde wel dat schroefdislocatie niet de belangrijkste factor is voor de sterkte van complexe hoge-entropie legeringen. De ontdekking dat juist de randdeformatie belangrijk is was een flinke verrassing en een die een eenvoudige, op theorie gebaseerde methode oplevert om nieuwe complexe legeringen te ontwikkelen.

Referentie: Chanho Lee, Francesco Maresca, Rui Feng, Yi Chou, T. Ungar, Michael Widom, Ke An, Jonathan D. Poplawsky, Yi-Chia Chou, Peter K. Liaw, and W. A. Curtin: Strength can be controlled by edge dislocations in refractory high-entropy alloys. Nature Communications, 16 september 2021.