Ensimmäinen 3D-tulostettu korkean suorituskyvyn nanorakenteinen metalliseos yhdistää erittäin lujuuden ja taipuisuuden

Tutkijaryhmä on 3D-tulostanut kaksivaiheisen nanorakenteisen korkean entropian metalliseoksen, joka ylittää muut huippuluokan lisäaineiden valmistusmateriaalit lujuudellaan ja sitkeydeltään. Tämä läpimurto voi johtaa tehokkaampiin komponentteihin ilmailu-, lääke-, energia- ja kuljetussovelluksiin. Työn tekivät Massachusettsin yliopiston Amherstin ja Georgia Techin tutkijat. Se julkaistiin 3. elokuuta Nature-lehdessä, ja sitä johtivat UMass Amherstin kone- ja teollisuustekniikan apulaisprofessori Wen Chen ja Georgia Techin konetekniikan professori Ting Zhu.

Viimeisten 15 vuoden aikana korkean entropiametallien (HEA) suosio on kasvanut uutena materiaalitieteen paradigmana. Ne koostuvat viidestä tai useammasta elementistä lähes yhtä suurissa suhteissa, mikä antaa metalliseosmalleille mahdollisuuden luoda lähes rajattomasti ainutlaatuisia yhdistelmiä. Perinteiset seokset, kuten messinki, ruostumaton teräs, hiiliteräs ja pronssi, sisältävät yhden pääalkuaineen ja yhden tai useamman hivenaineen yhdistelmän.

3D-tulostus, joka tunnetaan myös nimellä additiivinen valmistus, on viime aikoina noussut tehokkaaksi materiaalikehitysmenetelmäksi. Laserpohjainen 3D-tulostus voi tuottaa suuria lämpötilagradientteja ja korkeita jäähdytysnopeuksia, joita ei voida saavuttaa perinteisillä lähestymistavoilla. Kuitenkin "potentiaalia hyödyntää lisäainevalmistuksen ja HEA:n yhdistettyjä etuja uusien ominaisuuksien saavuttamiseksi on suurelta osin hyödyntämätön", Zhu sanoi.

Wen Chen ja hänen tiiminsä UMass Multiscale Materials and Manufacturing Laboratoryssa yhdistivät HEA:n huippuluokan 3D-tulostusteknologiaan, laserjauhepetifuusion, kehittääkseen uusia materiaaleja, joilla on ennennäkemättömät ominaisuudet. Koska prosessi sulaa ja kiinteyttää materiaalin hyvin nopeasti verrattuna perinteisiin metallurgisiin prosesseihin, "saat hyvin erilaisen mikrorakenteen, joka on kaukana tasapainosta", Chen sanoi. Tämä mikroskooppinen rakenne näyttää verkosta, joka koostuu vuorottelevista nanotähtirakenteiden kerroksista, jotka tunnetaan nimellä face-centered cubic (FCC) ja body-centered cubic (BCC) ja jotka on upotettu mikroskooppisiin eutektisiin kiteisiin, joissa on satunnainen orientaatioryhmä. Hierarkkinen nanorakenteinen HEA mahdollistaa näiden kahden faasin yhteistoiminnallisen muodonmuutoksen.

Chen Wen sanoi: "Tämän epätavallisen mikrorakenteen atomien uudelleenjärjestely tuottaa erittäin suuren lujuuden ja parantuneen taipuisuuden, mikä on harvinaista, koska yleensä vahvat materiaalit ovat yleensä hauraita. Tämä on toisin kuin perinteisessä metallivalussa. suhde, saamme melkein kolme kertaa lujuutta, ei vain menettämättä sitkeyttä, vaan itse asiassa lisäämällä sitkeyttä samaan aikaan. Monissa sovelluksissa lujuuden ja sitkeyden yhdistelmä on avainasemassa. Löydöillämme on merkitystä sekä materiaalitieteen että tekniikan kannalta. Se on omaperäistä ja jännittävää."

"Kyky tuottaa korkean lujuuden ja taipuisuuden omaavia HEA:ita tarkoittaa, että nämä 3D-tulostusmateriaalit kestävät vahvemmin käytettyjä muodonmuutoksia, mikä on tärkeää kevyiden rakenteiden suunnittelussa, joilla on parempi mekaaninen tehokkuus ja energiansäästö", sanoi Jie Ren, paperin ensimmäinen kirjoittaja. .

Ting Zhun ryhmä Georgia Techissä johti laskennallista mallintamista tutkimukselle. He kehittivät laskennallisen mallin kaksifaasisten kiteiden plastisuudesta ymmärtääkseen FCC- ja BCC-nanohiukkasten mekaanisen roolin ja kuinka ne toimivat yhdessä materiaalin lujuuden ja sitkeyden lisäämiseksi.

"Simulaatiotuloksemme osoittavat BCC-nanohiukkasten yllättävän lujuuden ja kovettumisvasteen, jotka ovat avainasemassa seoksiemme erinomaisen lujuuden ja sitkeyden synergian saavuttamisessa." Zhu Ting sanoi: "Tämä mekaaninen ymmärrys voi ohjata tulevaisuutta Erityisten mekaanisten ominaisuuksien omaavien 3D-tulostettujen HEA:iden kehittäminen tarjoaa tärkeän perustan."

Lisäksi 3D-tulostus tarjoaa tehokkaan työkalun geometrisesti monimutkaisten ja räätälöityjen osien valmistamiseen. Tulevaisuudessa 3D-tulostusteknologian ja HEA:n valtavan metalliseossuunnittelutilan hyödyntäminen tarjoaa lukuisia mahdollisuuksia suoraan päätyosien tuotantoon biolääketieteen ja ilmailualan sovelluksiin.