Pierwszy drukowany w 3D wysokowydajny stop nanostrukturyzalny łączy w sobie ultra-wytrzymałość i ciągliwość

Zespół naukowców wydrukował 3D dwufazowy nanostrukturyzowany stop o wysokiej entropii, który przewyższa inne najnowocześniejsze materiały do produkcji dodatków pod względem wytrzymałości i ciągliwości. Ten przełom może doprowadzić do powstania komponentów o wyższej wydajności do zastosowań w lotnictwie, medycynie, energetyce i transporcie. Praca została wykonana przez naukowców z University of Massachusetts Amherst i Georgia Tech. Prowadzona przez Wen Chena, profesora inżynierii mechanicznej i przemysłowej w UMass Amherst i Ting Zhu, profesora inżynierii mechanicznej w Georgia Tech, została opublikowana 3 sierpnia w czasopiśmie Nature.

W ciągu ostatnich 15 lat stopy o wysokiej entropii (HEA) zyskały na popularności jako nowy paradygmat w materiałoznawstwie. Składają się z pięciu lub więcej pierwiastków w niemal równych proporcjach, co daje konstrukcjom stopowym możliwość tworzenia prawie nieograniczonych unikalnych kombinacji. Tradycyjne stopy, takie jak mosiądz, stal nierdzewna, stal węglowa i brąz, zawierają kombinację jednego głównego pierwiastka i jednego lub więcej pierwiastków śladowych.

Drukowanie 3D, znane również jako produkcja dodatków, stało się ostatnio potężną metodą rozwoju materiałów. Druk 3D oparty na laserze może generować duże gradienty temperatury i wysokie szybkości chłodzenia, których nie można osiągnąć za pomocą konwencjonalnych podejść. Jednak "potencjał wykorzystania połączonych zalet produkcji dodatków i HEA w celu osiągnięcia nowych właściwości jest w dużej mierze niewykorzystany" - powiedział Zhu.

Wen Chen i jego zespół w UMass Multiscale Materials and Manufacturing Laboratory połączyli HEA z najnowocześniejszą technologią druku 3D, laserową fuzją złoża proszkowego, aby opracować nowe materiały o niespotykanych właściwościach. Ponieważ proces topi i krzepnie materiał bardzo szybko w porównaniu z tradycyjnymi procesami metalurgicznymi, "otrzymujesz zupełnie inną mikrostrukturę, która jest daleka od równowagi" - powiedział Chen. Ta mikroskopijna struktura wygląda jak sieć, składająca się z naprzemiennych warstw struktur nanogwiazd znanych jako sześcienne z centrowaniem twarzy (FCC) i sześcienne z ciałem (BCC), osadzone w mikroskopijnych kryształach eutektycznych z grupą o losowych orientacjach. Hierarchiczna nanostruktura HEA umożliwia kooperacyjną deformację dwóch faz.

Chen Wen powiedział: "Atomowe przegrupowanie tej niezwykłej mikrostruktury zapewnia bardzo wysoką wytrzymałość, a także zwiększoną ciągliwość, co jest rzadkie, ponieważ ogólnie mocne materiały są zwykle kruche. Jest to przeciwieństwo tradycyjnego odlewania metalu. stosunek, otrzymujemy prawie trzykrotnie większą wytrzymałość, nie tylko bez utraty ciągliwości, ale faktycznie zwiększając ciągliwość w tym samym czasie. W przypadku wielu zastosowań kluczowe znaczenie ma połączenie wytrzymałości i ciągliwości. Nasze odkrycia mają wpływ zarówno na materiałoznawstwo, jak i inżynierię To oryginalne i ekscytujące. "

"Zdolność do wytwarzania HEA o wysokiej wytrzymałości i ciągliwości oznacza, że te materiały do drukowania 3D są silniejsze w odporności na zastosowane odkształcenia, co jest ważne dla projektowania lekkich konstrukcji o zwiększonej wydajności mechanicznej i oszczędności energii "- powiedział Jie Ren, pierwszy autor artykułu.

Grupa Ting Zhu w Georgia Tech prowadziła modelowanie obliczeniowe do badania. Opracowali model obliczeniowy plastyczności kryształów dwufazowych, aby zrozumieć mechaniczną rolę odgrywaną przez nanocząsteczki FCC i BCC oraz sposób, w jaki współpracują ze sobą, aby zapewnić materiałowi zwiększoną wytrzymałość i ciągliwość.

"Nasze wyniki symulacji pokazują zaskakującą wytrzymałość i reakcję na utwardzanie nanocząstek BCC, które są kluczem do osiągnięcia doskonałej synergii wytrzymałości i ciągliwości w naszych stopach." Zhu Ting powiedział: "To mechanistyczne zrozumienie może kierować przyszłością Rozwój drukowanych HEA 3D o specjalnych właściwościach mechanicznych stanowi ważną podstawę."

Ponadto drukowanie 3D stanowi potężne narzędzie do produkcji geometrycznie złożonych i niestandardowych części. W przyszłości wykorzystanie technologii druku 3D i ogromnej przestrzeni projektowej stopów HEA oferuje liczne możliwości bezpośredniej produkcji części końcowych do zastosowań biomedycznych i lotniczych.