Prva 3D štampana nanostrukturirana legura visokih performansi kombinuje ultra čvrstoću i duktilnost

Tim naučnika je 3D štampao dvofaznu nanostrukturiranu leguru visoke entropije koja nadmašuje druge najsavremenije materijale za proizvodnju aditiva u čvrstoći i duktilnosti. Ovaj proboj mogao bi dovesti do komponenti viših performansi za primjenu u aeronautičkoj, medicini, energetici i transportu. Rad su obavili istraživači sa Univerziteta Massachusetts Amherst i Georgia Tech. Predvođeni Wen Chenom, vanrednim profesorom mašinstva i industrijskog inženjerstva na UMass Amherst, i Ting Zhuom, profesorom mašinstva na Georgia Techu, objavljeno je 3. avgusta u časopisu Nature.

U proteklih 15 godina, legure visoke entropije (HEA) postale su popularne kao nova paradigma u nauci o materijalima. Sastoje se od pet ili više elemenata u gotovo jednakim omjerima, dajući dizajnu legure mogućnost stvaranja gotovo neograničenih jedinstvenih kombinacija. Tradicionalne legure, kao što su mesing, nerđajući čelik, ugljenični čelik i bronza, sadrže kombinaciju jednog glavnog elementa i jednog ili više elemenata u tragovima.

3D štampa, takođe poznata kao aditivna proizvodnja, nedavno se pojavila kao moćna metoda razvoja materijala. 3D štampanje zasnovano na laseru može da generiše velike temperaturne gradijente i visoke stope hlađenja, što se ne može postići konvencionalnim pristupima. Međutim, "potencijal iskorištavanja kombiniranih prednosti aditivne proizvodnje i HEA za postizanje novih svojstava uglavnom je neiskorišten", rekao je Zhu.

Wen Chen i njegov tim u laboratoriji UMass Multiscale Materials and Manufacturing Laboratory kombinirali su HEA sa najsavremenijom tehnologijom 3D štampanja, fuzijom laserskog sloja praha, kako bi razvili nove materijale sa svojstvima bez presedana. Budući da proces topi i učvršćuje materijal vrlo brzo u usporedbi s tradicionalnim metalurškim procesima, "dobijate vrlo različitu mikrostrukturu koja je daleko od ravnoteže", rekao je Chen. Ova mikroskopska struktura izgleda kao mreža, koja se sastoji od naizmjeničnih slojeva nanozvijezdanih struktura poznatih kao kubna s licem (FCC) i kubna u centru tijela (BCC), ugrađenih u mikroskopske eutektičke kristale sa nasumičnom orijentacijom. Hijerarhijski nanostrukturirani HEA omogućava kooperativnu deformaciju dvije faze.

Chen Wen je rekao: "Atomsko preuređenje ove neobične mikrostrukture proizvodi ultra-visoku čvrstoću kao i povećanu duktilnost, što je neuobičajeno jer generalno jaki materijali imaju tendenciju da budu krhki. Ovo je u suprotnosti sa tradicionalnim lijevanjem metala. Omjer, dobijamo skoro tri puta veću snagu, ne samo bez gubitka duktilnosti, već istovremeno povećavajući duktilnost. Za mnoge primjene, kombinacija čvrstoće i duktilnosti je ključna. Naša otkrića imaju implikacije i na nauku o materijalima i na inženjerstvo. Originalno je i uzbudljivo."

"Sposobnost proizvodnje HEA visoke čvrstoće i duktilnosti znači da su ovi materijali za 3D štampanje jači u otpornosti na primijenjenu deformaciju, što je važno za dizajn laganih struktura s poboljšanom mehaničkom efikasnošću i uštedom energije", rekao je Jie Ren, prvi autor rada. .

Grupa Ting Zhua na Georgia Techu vodila je računarsko modeliranje za studiju. Razvili su računski model plastičnosti dvofaznih kristala kako bi razumjeli mehaničku ulogu koju igraju FCC i BCC nanočestice i kako rade zajedno da bi materijalu dali povećanu čvrstoću i duktilnost.

"Naši rezultati simulacije pokazuju iznenađujuću snagu i reakciju na otvrdnjavanje BCC nanočestica, koje su ključne za postizanje odlične sinergije čvrstoće i duktilnosti u našim legurama." Zhu Ting je rekao: "Ovo mehaničko razumijevanje može voditi budućnost. Razvoj 3D štampanih HEA sa posebnim mehaničkim svojstvima predstavlja važnu osnovu."

Nadalje, 3D štampa pruža moćan alat za proizvodnju geometrijski složenih i prilagođenih dijelova. U budućnosti, korištenje tehnologije 3D printanja i ogromnog prostora za dizajn legure HEA nudi brojne mogućnosti za direktnu proizvodnju krajnjih dijelova za biomedicinske i svemirske aplikacije.