Valós időben nézni az fémek megmerevedését

Prof. Dr. John Banhart csapata (első jobbról) tartja a világcsúcsot a 3D-s röntgentomográfiában. A munkatársak jelenleg 50 tomogrammot képesek másodpercenként rögzíteni. (© TU Berlin/PR/Felix Noak)

Anyagtudósok a 3D-röntgentelemzőkészülék segítségével jobban meg akarják érteni a dendritikus növekedést, és ennek érdekében a röntgentomogrammok készítésének sebességét húszszorosára szeretnék növelni.

Amikor fényképezik a fémet, ahogy megfagy, úgy tűnik, mintha apró fák nőnének. Ezeket a struktúrákat dendriteknek nevezik, a görög déndron, azaz fa szóból eredően. Ezért beszél a tudomány is dendritikus növekedésről. Ez a megfagyási folyamat rendkívül összetett, és részben még nem értett teljesen. Azonban, aki nézni akarja, annak röntgensugarakra van szüksége, mert csak ezek képesek áthatolni a fémen. A megfagyási folyamat megfejtéséhez most rendelkezésre áll egy megfelelő módszer, a 3D-röntgentelemző készülék, mivel a dendritikus növekedés háromdimenziós folyamat, és rendkívül gyorsan zajlik.

A 3D-röntgentelemző készülék rendkívül gyors. Prof. Dr. John Banhart munkatársai jelenleg 50 tomogrammot tudnak másodpercenként rögzíteni. Ez világrekord. „De a dendritikus növekedéshez ez még nem elég gyors,” mondja az anyagtudományi tanszék vezetője a műszaki egyetemen. „1000 tomogrammot szeretnénk másodpercenként elérni, és ezzel először alkalmazni a tomoszkópiát a fémek megfagyási folyamatára, hogy jobban megértsük azt.” A tomoszkópia kifejezést Banhart csapata nemrég alkotta meg. A tudósok ezzel a gyorsaságot akarják kifejezni, amit mára elértek, és nyelvileg is el akarják különíteni a lassabb elődöntéstől – a 3D-tomográfiától.

A Német Kutatási Közösség (DFG) ezt a kutatást „különösen innovatívnak” minősítette, és jóváhagyta egy „Reinhart-Koselleck-projektet”. Ezzel a DFG támogatási vonallal a tudományos teljesítményt elért kutatók lehetőséget kapnak kockázatos projektek vállalására. A Reinhart-Koselleck-projekt finanszírozását Prof. Dr. John Banhart kapta a DFG-től öt évre összesen 750.000 euróval.

A 3D-tomoszkópia során háromdimenziós röntgencsontogramokat készítenek töredék másodpercek alatt, és ezeket egy 3D-filmmé dolgozzák fel. Banhart és munkacsoportja már jelentős tapasztalatokat szerzett a fémszövetek vizsgálatában a 3D-röntgentelemző alkalmazásával. Ez az anyag például a gépészeti és könnyűszerkezetes alkalmazásokban használt csillapító elemekhez. Emellett már vannak első próbálkozások arra, hogy elektromos járművek motorjait fémszövetbe csomagolják, hogy megvédjék azokat a behatoló tárgyaktól, amelyek rövidzárlatot és ezzel robbanást okozhatnak.

Szinte minden habhoz hasonlóan a fémszövet is hajlamos nem tartós lenni. A szép sörhab gyorsabban eltűnik, mint szeretnénk, és a fürdőkádban szinte nézni lehet, ahogy a habbuborékok kipukkannak. Ezért mondják a népnyelvben, hogy a habok „álmok”. Ez a habok bizonytalansága a anyagtudósokat, például Prof. Dr. John Banhartot is foglalkoztatja. „A fémszöveteket fémporból és egy égéstermékből, a hajtóanyagból készítik. Ez a hajtóanyag szintén fémpor és hidrogén keveréke. Mindkettőt összekeverik, tömörítik és felmelegítik, ekkor a hajtóanyag hidrogént szabadít fel, és a keverék felhabzik. A megfagyási folyamat során a buborékok kipukkannak, és nagyobb buborékokká egyesülnek. Ez nem kívánatos folyamat, mert rontja az anyag mechanikai tulajdonságait,” magyarázza Banhart. A 3D-tomoszkópia segítségével csapata sikerült leírni, miért pukkannak ki a buborékok: ennek oka a helyi nyomásnövekedés a hajtóanyag részecskék körül. „Ezért kutatunk egy új hajtóanyag után, amely egyenletesebben oszlik el a fémen belül, és lágyabban hozza létre a habot,” mondja Banhart.

Az egyik további alkalmazás a tomoszkópia területén olyan folyamatok, amelyek során lézerfénnyel nagyon rövid idő alatt olvasztanak meg fémet. Ide tartozik a lézeres hegesítés és vágás, de az additív gyártás, azaz a 3D nyomtatás is, ahol anyagot rétegenként visznek fel egy alkatrészre. John Banhart munkacsoportja ezen a területen a 3D-röntgentelemzőt kívánja alkalmazni annak kiderítésére, mi történik a megolvasztás és újra megfagyás rövid ideje alatt.

Második fő terület lesz a hatalmas adatmennyiség – több terabájt percenként – matematikai feldolgozása, hogy az is értékes eredményeket hozzon. „Ez egy hatalmas kihívás számunkra,” mondja Banhart. A kutatás harmadik fő iránya a funkcionális és hordozható kísérleti berendezések kifejlesztése, amelyek segítségével a felvételeket a svájci Paul Scherrer Intézet szinkrotronján lehet készíteni. Banhart így fogalmaz: „Szükségünk van intenzív röntgenfényre, és ezt csak szinkrotronok biztosítják számunkra.”