Intermetallische verbinding: als metalen een eigen kristal vormen
Meng koper en zink door elkaar en je krijgt messing: een legering waarin de atomen min of meer willekeurig door elkaar heen zitten, zoals zout dat oplost in water. Maar sommige combinaties van metalen doen iets heel anders. Ze rangschikken zich in een vast, herhalend patroon, met de ene soort atoom steevast op de ene plek in het rooster en de andere soort op een vaste andere plek. Dat vaste patroon, met een min of meer exacte verhouding tussen de metalen, heet een intermetallische verbinding.
Het is een beetje alsof je twee soorten Lego-steentjes hebt: bij een gewone legering gooi je ze door elkaar in een bak, bij een intermetallische verbinding bouw je er een precies geordend bouwwerk mee, waarbij elk steentje op een vaste plaats hoort. Die orde geeft het materiaal eigenschappen die geen van de twee oorspronkelijke metalen apart heeft: vaak een veel hoger smeltpunt, grotere hardheid, bijzondere elektrische eigenschappen, of het vermogen om na vervorming weer terug te veren naar zijn oorspronkelijke vorm. Intermetallische verbindingen zitten daardoor in onopvallende maar cruciale onderdelen: van brildesigns die niet blijvend verbuigen tot de bladen diep in een straalmotor.
Wat is het precies?
Een gewone metaallegering, zoals brons (koper en tin) of de meeste soorten staal, is chemisch gezien een mengsel: de verschillende atomen zitten door elkaar in hetzelfde kristalrooster, zonder vaste volgorde. Er is een bepaalde bandbreedte waarbinnen je de verhouding kunt aanpassen zonder dat de structuur wezenlijk verandert.
Bij een intermetallische verbinding is dat anders. De atomen ordenen zich in een eigen kristalstructuur, met elk element op een specifieke positie, en de verhouding tussen de metalen ligt vast of schommelt maar in een heel smalle marge. Chemici schrijven zulke verbindingen daarom net als moleculen met een formule, bijvoorbeeld NiTi (nikkel-titanium, in gelijke delen), Ni3Al (drie nikkelatomen op elk aluminiumatoom) of Nb3Sn (niobium-tin). Wijk je te veel af van die verhouding, dan valt de geordende structuur uiteen in een mengsel van fasen.
Die strikte ordening heeft een keerzijde. In gewone metalen kunnen atoomlagen relatief makkelijk langs elkaar heen schuiven wanneer je het materiaal vervormt, via zogeheten dislocaties: kleine defecten in het rooster die zich door het materiaal verplaatsen en zo buigzaamheid mogelijk maken. In een intermetallische verbinding zit elk atoom op zijn vaste plek in een streng geordend patroon, waardoor dislocaties zich veel moeilijker verplaatsen. Het gevolg is dat veel intermetallische verbindingen bij kamertemperatuur bros zijn: ze breken eerder dan dat ze buigen. Materiaalkundigen zoeken al decennia naar manieren om die brosheid te beperken, bijvoorbeeld door kleine hoeveelheden van een derde element toe te voegen of door de microstructuur tijdens de productie te sturen.
Wat wil men ermee bereiken?
Het onderzoek naar intermetallische verbindingen draait vooral om het combineren van eigenschappen die je in gewone metalen niet allemaal tegelijk vindt. Veel intermetallische verbindingen houden hun sterkte bij hoge temperaturen veel beter vast dan gewone legeringen, wat ze aantrekkelijk maakt voor onderdelen die dicht bij hun smeltpunt moeten werken, zoals turbinebladen in een straalmotor. Andere verbindingen zijn juist interessant vanwege hun elektrische eigenschappen: sommige geleiden stroom zonder weerstand bij lage temperatuur (supergeleiding), andere zijn juist relevant als halfgeleidermateriaal.
Weer een andere groep, de zogenoemde vormgeheugenlegeringen, kan na vervorming terugkeren naar zijn oorspronkelijke vorm zodra de temperatuur verandert. Dat komt doordat het kristalrooster bij verwarming of afkoeling omslaat tussen twee ordeningen, een proces dat fasetransformatie heet. Zulke materialen worden gebruikt in medische implantaten en actuatoren die zonder motor kunnen bewegen.
Onderliggend doel van veel van dit onderzoek is gewicht besparen zonder aan sterkte of hittebestendigheid in te boeten, of net iets goedkopere en beter beschikbare metalen te gebruiken in plaats van zeldzame of dure elementen. Vooral in de luchtvaart en energiesector, waar elke gram gewicht en elke graad temperatuurbestendigheid telt, is dat een blijvende drijfveer.
Voorbeelden uit de praktijk
Het bekendste voorbeeld is NiTi, beter bekend als nitinol, vernoemd naar nikkel, titanium en het Naval Ordnance Laboratory in de Verenigde Staten, waar het materiaal eind jaren vijftig en begin jaren zestig werd ontwikkeld door onderzoeker William Buehler. Nitinol wordt vandaag de dag toegepast in medische stents die zich in het lichaam ontvouwen, in brilmontuurveren die niet blijvend verbuigen, en in orthodontische beugeldraad.
In de luchtvaart wordt titaniumaluminide (TiAl) gebruikt voor lagedrukturbinebladen in moderne straalmotoren, zoals bij General Electric's GEnx-motor die onder meer de Boeing 787 aandrijft. TiAl-bladen zijn ongeveer half zo zwaar als vergelijkbare bladen van nikkel-superlegeringen, wat direct brandstof bespaart.
De nikkel-superlegeringen die zelf in de hetere delen van straalmotoren zitten, danken hun sterkte grotendeels aan piepkleine deeltjes van Ni3Al (de zogeheten gamma-prime-fase) die in het nikkelrooster zijn ingebed. Onderzoekers van het Oak Ridge National Laboratory in de Verenigde Staten lieten in de jaren tachtig zien dat een kleine toevoeging van boor de bros gedrag van Ni3Al aanzienlijk kon verminderen, wat de basis legde voor het praktisch bruikbaar maken van deze klasse materialen.
Nb3Sn (niobium-tin) is een supergeleidende intermetallische verbinding die bij lage temperatuur stroom geleidt zonder elektrische weerstand. De grote, krachtige magneten van de internationale fusiereactor ITER in Frankrijk zijn hiermee gewikkeld, net als sommige krachtige MRI- en onderzoeksmagneten.
Tot slot wordt molybdeensilicide (MoSi2) gebruikt als verwarmingselement in industriële ovens die tot boven de 1600 graden Celsius moeten kunnen, dankzij zijn combinatie van elektrische geleiding en bestandheid tegen oxidatie bij extreme hitte.
Hoe ver is de techniek?
Intermetallische verbindingen zijn geen nieuwe ontdekking; sommige, zoals bepaalde koper-tin-verbindingen, zijn al meer dan een eeuw bekend, en systematisch onderzoek naar de klasse als geheel loopt sinds de jaren vijftig en zestig. Toch is de praktische toepassing ervan pas de laatste decennia echt op gang gekomen, omdat de brosheid bij kamertemperatuur lang een showstopper was voor productie en gebruik.
Voor gevestigde toepassingen zoals nitinol, Ni3Al-versterkte superlegeringen en Nb3Sn-supergeleiders is de techniek volwassen: ze worden al decennia in serieproductie gemaakt en toegepast. Voor TiAl-turbinebladen is de doorbraak recenter; het kostte tientallen jaren onderzoek om een gietproces en een legeringssamenstelling te vinden die betrouwbaar genoeg waren voor gebruik in een draaiende motor, en het aantal motortypes waarin het materiaal wordt toegepast groeit nog altijd.
Actueel onderzoek richt zich onder meer op nieuwe intermetallische verbindingen voor nog hogere temperaturen dan nikkel-superlegeringen aankunnen, op additive manufacturing (3D-printen) van intermetallische onderdelen, wat lastig is omdat de snelle afkoeling tijdens het printen vaak scheuren veroorzaakt, en op zogeheten hoge-entropie-intermetallics, verbindingen met meer dan twee of drie metalen tegelijk. Veel van dit werk bevindt zich nog in het laboratoriumstadium en het is nog onzeker welke van deze nieuwere varianten daadwerkelijk de stap naar industriële productie zullen maken.
Wie werken eraan?
In de Verenigde Staten heeft het Oak Ridge National Laboratory een lange onderzoeksgeschiedenis op het gebied van intermetallische verbindingen, met name voor toepassingen bij hoge temperatuur. Vliegtuigmotorbouwers als General Electric, Safran en Rolls-Royce ontwikkelen en produceren TiAl- en nikkel-superlegeringonderdelen voor hun motoren, vaak in samenwerking met universitaire onderzoeksgroepen.
In Europa doet het Max-Planck-Institut für Eisenforschung in Düsseldorf, onder meer onder leiding van materiaalkundige Dierk Raabe, gericht onderzoek naar de kristalstructuur en vervormbaarheid van legeringen en intermetallische fasen. Ook Nederlandse kennisinstellingen, zoals de faculteit Werktuigbouwkunde, Maritieme Techniek en Technische Materiaalwetenschappen van de TU Delft, houden zich bezig met onderzoek naar metaallegeringen en hun microstructuur.
Op het gebied van supergeleidende intermetallische verbindingen zijn internationale onderzoeksconsortia actief, zoals de partners achter het ITER-fusieproject, waarin onder meer de Europese Unie, de Verenigde Staten, Rusland, China, Japan, Zuid-Korea en India samenwerken aan de ontwikkeling en productie van de benodigde Nb3Sn-magneten. Vakverenigingen als ASM International bundelen daarnaast wereldwijd materiaalkundig onderzoek en publiceren standaardwerken over de eigenschappen en toepassingen van deze materiaalklasse.