Titan-aluminium-nitrid är en vanlig keram som används som beläggning på skärande verktyg i metall. Eggen på skäret blir hårdare och verktyget håller längre med hjälp av en tunn beläggning av titan-aluminium-nitrid. Ytan har också den speciella egenskapen att den hårdnar ju mer verktyget används.
– Materialet är en arbetshäst inom verkstadsindustrin, säger Kostas Sarakinos, biträdande professor i materialvetenskap vid Linköpings universitet.
Vad som händer på atomnivå inne i den tunna filmen av materialet är det dock ingen som hittills har lyckats ta reda på. Egenskaperna i den komplicerade kombinationen av titan-aluminium-nitrid har tidigare bara kunnat simuleras till mycket liten del, för liten för att kunna dra några slutsatser från resultatet.
Georgios Almyras, tidigare postdoktor på avdelningen Nanodesign, numera verksam på Ericsson, och Davide Sangiovanni, avdelningen Teoretisk fysik, har tillsammans med Kostas Sarakinos, forskningsledare vid avdelningen Nanodesign, fått fram en tillförlitlig teoretisk metod som visar precis vad som händer i materialet, picosekund för picosekund. Deras metod simulerar och visar vilka atomer det är som flyttar sig och hur det påverkar materialets egenskaper.
Davide Sangiovanni Foto Anna Nilsen– Detta innebär också att vi kan ta fram strategier för att förhindra degraderingen, som att legera materialet eller ta fram specialdesignade nanostrukturer, säger Davide Sangiovanni.
Superdatorn vid Nationellt superdatorcentrum vid LiU har sedan räknat på ett 40-tal olika blandningar, legeringar, av de tre ämnena, titan, aluminium och kväve, med hänsyn tagen till ett antal olika materialegenskaper. Resultaten av beräkningarna har sedan jämförts med materialens tidigare kända egenskaper.
– Vi har fått en stor samstämmighet. Här är det viktigt att vi har beräknat även de egenskaper vi känner till. Det innebär att vi kan vara säkra på att beräkningarna stämmer och att modellen är tillförlitlig, säger Kostas Sarakinos.
Kostas Sarakinos Foto Anna Nilsen
– Vi kan nu för första gången göra storskaliga klassiska simuleringar av atomstrukturen i ett av de vanligaste systemen för konstruktionsmaterial. Simuleringarna kan handla om värmetålighet likaväl som nanostrukturer och de kan ge oss viktiga insikter i hur atomerna rör sig och hur vi kan undvika, eller i alla fall skjuta upp degraderingen i materialet, säger Kostas Sarakinos.
Semi-Empirical Force-Field Model for the Ti1−xAlxN (0 ≤ x ≤ 1) System, G. A. Almyras, D. G. Sangiovanni and K. Sarakinos, Materials 2019. DOI 10.3390/ma12020215
– Materialet är en arbetshäst inom verkstadsindustrin, säger Kostas Sarakinos, biträdande professor i materialvetenskap vid Linköpings universitet.
Värmekänsligt vid höga temperaturer
Men legeringen är också känsligt för hög värme. Några minuters skärande i riktigt hårda material innebär att skäret utsätts för ett så högt tryck att det värms upp till 900 grader eller mer. Upp till 700 grader håller det sig intakt men blir det hetare än så börjar materialet degradera. Eggen mjuknar och mister sin skräpa.Vad som händer på atomnivå inne i den tunna filmen av materialet är det dock ingen som hittills har lyckats ta reda på. Egenskaperna i den komplicerade kombinationen av titan-aluminium-nitrid har tidigare bara kunnat simuleras till mycket liten del, för liten för att kunna dra några slutsatser från resultatet.
Georgios Almyras, tidigare postdoktor på avdelningen Nanodesign, numera verksam på Ericsson, och Davide Sangiovanni, avdelningen Teoretisk fysik, har tillsammans med Kostas Sarakinos, forskningsledare vid avdelningen Nanodesign, fått fram en tillförlitlig teoretisk metod som visar precis vad som händer i materialet, picosekund för picosekund. Deras metod simulerar och visar vilka atomer det är som flyttar sig och hur det påverkar materialets egenskaper.
Superdatorberäkningar
I deras metod, publicerad i den vetenskapliga öppen access-tidskriften Materials, beräknas krafterna mellan atomerna i materialet. Det är en känd metod som används för enklare system med gott resultat. För så här komplicerade materialkombinationer krävs dock tunga beräkningar som tar lång tid även i en superdator. Forskarna vid LiU har emellertid också optimerat beräkningarna genom att införa algoritmer för maskininlärning, ett steg mot artificiell intelligens.Superdatorn vid Nationellt superdatorcentrum vid LiU har sedan räknat på ett 40-tal olika blandningar, legeringar, av de tre ämnena, titan, aluminium och kväve, med hänsyn tagen till ett antal olika materialegenskaper. Resultaten av beräkningarna har sedan jämförts med materialens tidigare kända egenskaper.
– Vi har fått en stor samstämmighet. Här är det viktigt att vi har beräknat även de egenskaper vi känner till. Det innebär att vi kan vara säkra på att beräkningarna stämmer och att modellen är tillförlitlig, säger Kostas Sarakinos.
Teori med stor industriell relevans
Han och forskarkollegorna hoppas att metoden nu ska få stor betydelse för verkstadsindustrier som Sandvik, ABB, Seco Tools med flera där extra hårdhet och slitstyrka sparar mycket pengar. Det är företag som LiU-forskarna också har långsiktiga samarbeten med.– Vi kan nu för första gången göra storskaliga klassiska simuleringar av atomstrukturen i ett av de vanligaste systemen för konstruktionsmaterial. Simuleringarna kan handla om värmetålighet likaväl som nanostrukturer och de kan ge oss viktiga insikter i hur atomerna rör sig och hur vi kan undvika, eller i alla fall skjuta upp degraderingen i materialet, säger Kostas Sarakinos.
Semi-Empirical Force-Field Model for the Ti1−xAlxN (0 ≤ x ≤ 1) System, G. A. Almyras, D. G. Sangiovanni and K. Sarakinos, Materials 2019. DOI 10.3390/ma12020215