Snabbare är inte alltid bättre när det gäller höghastighetsmaterialvetenskap, enligt ny Cornell-forskning som visar att små metallpartiklar binder bäst vid en exakt överljudshastighet.
I industriella processer som kallsprutning och additiv tillverkning färdas små metallpartiklar i extrema hastigheter och slår i en yta med sådan kraft att de smälter samman och bildar starka metallbindningar. Denna snabba kollision med hög energi bygger upp lager av material och skapar hållbara komponenter med hög prestanda. Att förstå hur och varför dessa bindningar bildas, och ibland misslyckas, kan bidra till att optimera tillverkningstekniker och leda till starkare material.
I en studie som publicerades den 31 mars i Proceedings of the National Academy of Sciences skickade Cornell-forskare aluminiumpartiklar, var och en med en diameter på cirka 20 mikrometer, mot en aluminiumyta i hastigheter på upp till 1 337 meter per sekund – långt över ljudets hastighet – och använde höghastighetskameror för att registrera kollisionerna.
Resultaten visade att bindningsstyrkan ökade stadigt i takt med att hastigheten ökade, men när hastigheten ökade till över 1 060 meter per sekund började bindningsstyrkan att minska. Vid 1.337 meter per sekund fäste partiklarna knappt alls på ytan.
”Det var en total överraskning”, säger huvudförfattaren Mostafa Hassani, biträdande professor vid Sibley School of Mechanical and Aerospace Engineering och vid Department of Materials Science and Engineering, båda vid Cornell Engineering.
”Förväntningen var att man skulle få bättre bindningskvalitet ju högre upp man kommer”, säger Hassani. ”Den här studien visar att det faktiskt finns en topp i bindningsstyrkan och att högre hastighet inte nödvändigtvis leder till högre hållfasthet.”
En avfyrningsramp för mikroprojektiler i Hassani-gruppens laboratorium kan skjuta iväg metallpartiklar i överljudshastighet och fånga nedslaget med hjälp av höghastighetskameror. Kredit: Charissa King-O’Brien/Cornell Engineering
Forskarna tillskriver denna nedgång i bindningsstyrka till ett fenomen som kallas intensifierad elastisk återhämtning. Vid extremt höga hastigheter förlorar ytmaterialet en del av sin förmåga att absorbera energi genom deformation och i stället lagras mer energi som elastisk töjning, vilket gör att partiklarna snäpper tillbaka efter kollisionen. Denna rekyleffekt sträcker ut och skadar gränssnittet, vilket försvagar bindningen.
I vissa industriella processer kan extremt höga hastigheter erodera eller till och med smälta ytan, vilket förhindrar korrekt bindning. Qi Tang, doktorand och huvudförfattare till studien, säger att de nya rönen kan bidra till att optimera tillverkningsprocesser genom att ge insikt i varför erosion uppstår.
”Tidigare har man inom industrin kanske spekulerat i att erosion orsakas av snabba partiklar som plöjer genom substratytan eller av smältning vid gränssnittet”, säger Tang. ”Men nu ser vi att när man ger en partikel en mycket hög hastighet kan den ökade studsbenägenheten leda till att en tidigare bunden partikel lossnar, vilket förhindrar materialuppbyggnad.”
Studien fokuserade på aluminium, men enligt forskarna är den mekanism som ligger bakom den högsta bindningshastigheten sannolikt universell för alla metaller och legeringar. Efterföljande studier kommer att undersöka hur partikelstorleken påverkar resultaten och utforska potentiella sätt att konstruera både partiklarna och substratytan för att maximera bindningsstyrkan.
För mer information: Qi Tang et al, Microparticle impact-induced bond strength in metals peaks with velocity, Proceedings of the National Academy of Sciences (2025). DOI: 10.1073/pnas.2424355122
