Esimene 3D-prinditud suure jõudlusega nanostruktureeritud sulam ühendab ülitugevuse ja elastsuse

Teadlaste meeskond on 3D-printinud kahefaasilise nanostruktuuriga kõrge entroopiaga sulami, mis ületab tugevuse ja elastsuse poolest teisi tipptasemel lisandite valmistamise materjale. See läbimurre võib kaasa tuua suurema jõudlusega komponentide rakenduste jaoks kosmosetööstuses, meditsiinis, energeetikas ja transpordis. Töö tegid Massachusettsi Amhersti ülikooli ja Georgia Techi teadlased. UMass Amhersti mehaanika- ja tööstustehnika dotsendi Wen Cheni ja Georgia Techi masinaehituse professori Ting Zhu juhtimisel avaldati see 3. augustil ajakirjas Nature.

Viimase 15 aasta jooksul on suure entroopiaga sulamid (HEA) muutunud materjaliteaduse uue paradigmana populaarsemaks. Need koosnevad viiest või enamast elemendist peaaegu võrdses vahekorras, mis annab sulamikujundusele võimaluse luua peaaegu piiramatuid ainulaadseid kombinatsioone. Traditsioonilised sulamid, nagu messing, roostevaba teras, süsinikteras ja pronks, sisaldavad kombinatsiooni ühest põhielemendist ja ühest või mitmest mikroelemendist.

3D-printimine, tuntud ka kui lisaainete tootmine, on viimasel ajal tõusnud võimsa materjaliarendusmeetodina. Laseripõhine 3D-printimine võib tekitada suuri temperatuurigradiente ja kõrgeid jahutuskiirusi, mida ei ole võimalik saavutada tavapäraste lähenemisviisidega. Kuid "lisandite tootmise ja HEA kombineeritud eeliste võimendamise potentsiaal uute omaduste saavutamiseks on suures osas kasutamata," ütles Zhu.

Wen Chen ja tema meeskond UMassi mitmemõõtmelises materjali- ja tootmislaboris ühendasid HEA tipptasemel 3D-printimise tehnoloogiaga, laserpulberkihtsulandusega, et töötada välja uusi enneolematute omadustega materjale. Kuna protsess sulab ja tahkub materjali väga kiiresti võrreldes traditsiooniliste metallurgiliste protsessidega, "saate väga erineva mikrostruktuuri, mis on tasakaalust kaugel, " ütles Chen. See mikroskoopiline struktuur näeb välja nagu võrk, mis koosneb vahelduvatest nanotähestruktuuride kihtidest, mida tuntakse näokeskse kuubikuna (FCC) ja kehakeskse kuubikuna (BCC), mis on põimitud juhusliku orientatsiooniga mikroskoopilistesse eutektilistesse kristallidesse. Hierarhiline nanostruktureeritud HEA võimaldab kahe faasi ühist deformatsiooni.

Chen Wen ütles: "Selle ebatavalise mikrostruktuuri aatomi ümberkorraldamine annab ülikõrge tugevuse ja suurema elastsuse, mis on haruldane, kuna üldiselt on tugevad materjalid tavaliselt rabedad. See on vastupidine traditsioonilisele metallivalamisele. suhe, saame peaaegu kolm korda suurem tugevus, mitte ainult elastsust kaotamata, vaid samal ajal ka suurendades elastsust. Paljude rakenduste puhul on tugevuse ja elastsuse kombinatsioon võtmetähtsusega. Meie leiud mõjutavad nii materjaliteadust kui ka inseneritööd. See on originaalne ja põnev."

"Võime toota suure tugevuse ja plastilisusega HEA-sid tähendab, et need 3D-printimise materjalid on tugevamad vastupanu rakendatud deformatsioonile, mis on oluline parema mehaanilise efektiivsuse ja energiasäästuga kergete konstruktsioonide kujundamisel," ütles paberi esimene autor Jie Ren. .

Ting Zhu rühm Georgia Techis juhtis uuringu arvutuslikku modelleerimist. Nad töötasid välja kahefaasiliste kristallide plastilisuse arvutusliku mudeli, et mõista FCC ja BCC nanoosakeste mehaanilist rolli ja seda, kuidas nad töötavad koos, et anda materjalile suurem tugevus ja elastsus.

"Meie simulatsioonitulemused näitavad BCC nanoosakeste üllatavat tugevust ja kõvenemisreaktsiooni, mis on meie sulamite suurepärase tugevuse ja plastilisuse sünergia saavutamise võtmeks." Zhu Ting ütles: "See mehhaaniline arusaam võib suunata tulevikku. Spetsiaalsete mehaaniliste omadustega 3D-prinditud HEA-de väljatöötamine on oluline alus."

Lisaks on 3D-printimine võimas tööriist geomeetriliselt keerukate ja kohandatud osade valmistamiseks. Tulevikus pakub 3D-printimise tehnoloogia ja HEA tohutu sulamitest disainiruumi ärakasutamine arvukalt võimalusi biomeditsiiniliste ja kosmoserakenduste jaoks mõeldud otsaosade otseseks tootmiseks.