ساختار میکروسکوپى یک ابر آلیاژ

چه چیزى ابر آلیاژها را خارق العاده کرده است: ساختار میکروسکوپى سلسله مراتبى شکل یک ابر آلیاژ
مواد به کار رفته در توربین‌هاى دور بالا (توربین‌‌هایى که دائماً و با سرعت بالا در حال کار هستند) نه تنها باید در برابر نیروهاى مکانیکى بسیار قوى، مقاوم باشند، بلکه باید خواص مکانیکى و شیمیایى خود را تا نزدیکى دماى ذوب خود، حفظ کنند. براى این منظور، سازندگان این‌گونه توربین‌ها سال‌هاست که آلیاژهاى مخصوصى با پایه‌ى نیکل، و با دوام بسیار بالا را براى ساختن توربین‌هاى خود مورد استفاده قرار مى‌دهند. هم اکنون کار جدید شرکت‌هاى 'هلمهولتز زنترون برلین فور ماتریالین (مرکز تخصصی شناخت مواد هلمهولتز در برلین)' و 'انرگى'، با جزئیات، همه چیز را در مورد این که چگونه فازهاى جدید در آلیاژهاى با پایه نیکل را نشان مى‌دهد و‌ سر نخ این که چگونه مى‌توان آلیاژها را تبدیل به آلیاژهاى با دوام کرد ارائه مى‌دهد.
ماتریس γ (بنفش) را مى‌توان در اطراف رسوب‌هاى مکعبى شکل 'γ (سبز رنگ) دید. تنها مقادیر کمى از صفحات بشقابی شکل بسیار ریز (در ابعاد نانو) γ را مى‌توان در رسوبات 'γ دید. کاوش از طریق پرتو نگارى مقطعى، اجازه‌ى تجزیه و تحلیل مقطعى از نقاط مشخص را، در ابعاد اتمى به ما داده و ترکیب شیمیایى، در ناحیه‌هاى مستقل و مختلف را براى ما آشکار مى‌کند.
دانشجوى دکترا، فلوریان وگل و پروفسور نلیا واندرکا از انستیتوى مواد کاربردى HZB، با ظرافت این دو شیوه را براى انجام این مهم، با هم ترکیب کردند: جا به جایى میکروسکوپى الکترون (Tem) و پرتو نگارى مقطعى (APT) که این کار با همکارى همکارانى از دانشگاه مونستر انجام پذیرفت.
آن‌ها به پدیده‌ى فاز جدا سازى علاقه‌مند بودند که براى ٥٠ سال است که شناخته شده است، ولى نه کسى توانسته بود به صورت دقیق آن را مشاهده کند و نه کسى توانسته بود تا کنون آن را به صورت کامل درک کند: ساختار میکروسکوپى آلیاژهاى با پایه نیکل تحت عملیات حرارتى کنترل شده یا همان عملیات سخت سازى سریع کنترل شده (ایجینگ)، تغییر کرده و در ساختار میکروسکوپى کلاسیک دو فازى، فاز جدیدى، از نو تشکیل مى‌شود. واندرکا و وگل توانستند براى اولین بار، دقیقاً فرآیند جدا شدن فازى را، در مقیاس اتمى با دقت مشاهده کنند.
براى انجام این کار، آن‌ها فرآیند ایجینگ آلیاژ را با انجام عملیات حرارتى بر روى آن، در دوره‌هاى متفاوت، شبیه سازى کردند. آن‌ها چگونگى تغییر ساختار میکروسکوپى را، در حین فرآیند ایجینگ آلیاژ، با استفاده از گراف‌هاى میکروسکوپى به دست آمده از میکروسکوپ انتقال الکترونى، مستند سازى کردند. جایى که ساختار میکروسکوپى دو فازى کلاسیک، که شامل رسوب هاى 'γ مکعبى شکل، در روی چیزى که به آن ماتریس (زمینه) γ مى‌گویند، جا سازى شده است، در حین عملیات حرارتى، این ذرات در رسوب‌هاى '‌γ که مکعبى شکل هستند، به ذرات کروى شکل γ، در رسوب 'γ تبدیل شده، و ابر آلیاژ جدیدی تشکیل مى‌شود. خواص مکانیکى و حرارتى این‌گونه از آلیاژها به شدت به پایدارى این ساختار میکوروسکوپى 'γ/γ بستگى دارد.
این تصویر رسوب های 'γ، به بزرگى ١٠٠ نانو متر (منطقه ى روشن) را نشان مى‌دهد که توسط ماتریس γ احاطه شده‌اند (محدوده ى تاریک). ذرات بشقابى شکل γ (محدوده ى تاریک) را مى‌توان در میان رسوبات 'γ دید.
جهت تشخیص ترکیب اتم‌هاى هر یک از فازها به صورت جداگانه، نخست باید اطلاعاتی جامعى درباره‌ى چگونگى ساختار و چینش ذرات γ (ذرات کروی و بشقابی شکل) به دست آورد، که اطلاعات کمى در باره‌ی این ذرات در دست است، که وگل و واندرکا با استفاده از پرتو نگارى مقطعى از نمونه‌هایى که عملیات حرارتى بر روى آن ها انجام شده بود، در مورد این نمونه‌ها تحقیقاتى را در دانشگاه مونستر انجام دادند. آن‌ها موفق به باز سازى ساختار مشبک اتم نمونه‌ها، به صورت لایه لایه و در نتیجه، قادر به دانستن ترکیب تمام فازها شدند، که در نتیجه‌ى آن، توانستند چگونگى تکامل تدریجى شیمیایى ذرات γ را توضیح دهند.
میکرو گراف‌هاى TEM آشکار مى‌کند که چگونه کره‌هاى کوچک (مناطق تاریک) در تصویر a‌، در ابتدا از طریق عملیات حرارتی بوجود آمده (تصویر b)، در صفحات کوچک ادغام شده (تصویر c)، تا زمانى که از رسوبات 'γ جدا شوند (تصاویر b تا f). اندازه عرض مقیاس: ١٠٠ نانو متر
فلورین وگل این گونه توضیح مى‌دهد "تا کنون، تصور مى‌شد که جدا شدن رسوبات '‌γ باعث پالایش و بهبود ساختار میکروسکوپى در زمان عملیات حرارتى مى‌شود، که منجر به بهبود پایدارى آلیاژ تحت بار گذارى حرارتى و مکانیکى مى‌شود. ما توانستیم نشان دهیم که این‌ گونه نیست. در واقع ساختار میکروسکوپى، به طور قابل ملاحظه‌اى تغییر مى‌کند، و نه این که به واسطه‌ى جدا شدن، بهبود پیدا کند. ما در حقیقت توانستیم بهترین خواص مکانیکى را با به وجود آمدن ذرات کروى یا بشقابى شکل γ ارتباط دهیم و نه با مراحل بعدى، که همان، بعد از به وجود آمدن رسوبات 'γ مى‌باشد."
نلیا واندرکا مى‌افزاید "اگر بخواهیم پایدارى ساختار میکروسکوپى را بهبود ببخشیم، که در نتیجه‌ى آن بهبود خواص حرارتى و خواص مکانیکى آلیاژ مى‌باشد، باید اطمینان حاصل کنیم که رسوبات 'γ توسط ذرات کروی γ از هم جدا نشود، و در عوض در طول عملیات حرارتى مناسب و ترکیب کردن آلیاژ، به هم چسبیده بماند. پرتو نگارى مقطعى از اتم، کمک مى‌کند تا نقش عناصر آلیاژى را در تشکیل و رشد ذرات کروی γ بهتر درک کنیم. از این طریق، مى‌توانیم بفهمیم چگونه در این‌گونه فرآیند‌ها دخالت کنیم."