Alüminyum alaşımları benzersiz malzeme özelliklerine sahiptir ve uçak üretimi ve uzay teknolojisinde vazgeçilmez malzemelerdir. Yüksek çözünürlüklü elektron tomografisi yardımıyla, TU Graz’daki araştırmacılar ilk kez bu özellikleri anlamak için çok önemli mekanizmaların kodunu çözmeyi başardılar.
Malzeme Kalitesinden Sorumlu Nano Yapılar
Alüminyum alaşımların dayanıklılığını, korozyon direncini ve kaynaklanabilirliğini arttırmak için alüminyum matrisine skandiyum ve zirkon gibi alaşım elementler eklenir. Daha sonraki işlemlerde, küçük yuvarlak tanecikler sadece birkaç nanometre büyüklüğünde, nano-çökeltiler olarak adlandırılırlar. Formları, atomik yapısı ve kristal kafesindeki “en iyi yer” için skandiyum ve zirkon atomlarının “mücadelesi”, malzemenin özellikleri ve kullanılabilirliği açısından belirleyicidir.
TU Graz’daki araştırmacılar bu yapıları Graz’daki Elektron Mikroskobu Merkezi’nde (ZFE) Avusturya Taramalı İletim Elektron Mikroskobu (ASTEM) yardımıyla analiz ettiler. Cihaz, üç boyutlu yapıların yüksek çözünürlüklü element haritalarını üretebilir. TU Graz Enstitüsü Elektron Mikroskobu ve Nanoanaliz Enstitüsü’nde analitik transmisyon elektron mikroskobu çalışma grubunun başkanı Gerald Kothleitner: “Bu şekilde tomografi analizine ulaşan, şaşırtıcı bir şekilde, önceki bilgi düzeyine göre yorumlanamayan bir görüntü sağladı. Oluşturulan çekirdek-kabuk yapılarında anormallikler tespit ettik. Bir yandan, nano-çökeltilerde daha yüksek miktarlarda alüminyum bulma ihtimalimiz tahmin ettiğimiz gibi oldu. Öte yandan, zirkon bakımından zengin bir çekirdek ve çekirdek ile kabuk arasındaki sınır bölgelerini neredeyse mükemmel bir kompozisyon ve kristal yapıyla keşfettik.”
Kuantum Mekaniği ve Monte Carlo Yöntemleri Cevaplar Sağlar
Bu “öz örgütlenme” olgusunu takip etmek için, Elektron Mikroskobu ve Nanoanaliz Enstitüsü (FELMI) ve Malzeme Bilimi Enstitüsü, Katılma ve Şekillendirme Enstitüsü’nden (IMAT) araştırmacılar kuantum mekanik hesaplamalar ve simülasyonlara yöneldiler. Sistemin kendisini ayırdığı ve yabancı atomların yayılabileceği atomik olarak dar kanallar oluşturduğu bulunmuştur. Birbiriyle karşılaşan atomlar bu kanalları bloke eder ve sistemi stabilize eder.
Doktora öğrencisi Angelina Orthacker, atomların hareketlerini grafiksel olarak açıklıyor: ‘Difüzyon süreci, yoğun trafiğa sahip kentsel bir alanda acil durum koridorunun oluşumuyla karşılaştırılabilir. Trafik, acil araçların serbest akışını sağlamak için bölünerek bir saniyede kendini organize etmeyi başarıyor. Fakat acil durum koridorunu engellemek için sadece birkaç bireysel araç etkili olacak ve böylece çalışmayı durduracaktır. Alüminyum alaşımlarının iç kısımlarında tamamen aynı davranışlar görülmektedir.”
‘Acil durum koridorları’ skandiyum ve zirkon atomlarının malzeme taşımasını teşvik eder. Bu taşıma reaksiyonunu en ufak bir rahatsızlık bile durdurabilir. Araştırma ekibi, bu difüzyon süreçleri hakkındaki yeni bulguların diğer çok bileşenli alaşımlarda da rol oynadığını varsayıyor. Artık reaksiyonun özellikleri istenildiği gibi ayarlanabilir.
