Aloi Berstruktur Nano Berprestasi Tinggi Cetakan 3D Pertama Menggabungkan Kekuatan Ultra Dan Kemuluran

Satu pasukan saintis telah mencetak aloi entropi tinggi berstruktur nano dwi fasa yang mengatasi bahan pembuatan aditif tercanggih dalam kekuatan dan kemuluran. Kejayaan ini boleh membawa kepada komponen prestasi yang lebih tinggi untuk aplikasi dalam aeroangkasa, perubatan, tenaga dan pengangkutan. Kerja itu dilakukan oleh penyelidik di Universiti Massachusetts Amherst dan Georgia Tech. Diketuai oleh Wen Chen, profesor bersekutu kejuruteraan mekanikal dan industri di UMass Amherst, dan Ting Zhu, profesor kejuruteraan mekanikal di Georgia Tech, ia diterbitkan pada 3 Ogos dalam jurnal Nature.

Sepanjang 15 tahun yang lalu, aloi entropi tinggi (HEA) telah berkembang popular sebagai paradigma baharu dalam sains bahan. Ia terdiri daripada lima atau lebih elemen dalam perkadaran yang hampir sama, memberikan reka bentuk aloi keupayaan untuk mencipta gabungan unik yang hampir tanpa had. Aloi tradisional, seperti loyang, keluli tahan karat, keluli karbon dan gangsa, mengandungi gabungan satu elemen utama dan satu atau lebih unsur surih.

Percetakan 3D, juga dikenali sebagai pembuatan aditif, baru-baru ini muncul sebagai kaedah pembangunan bahan yang berkuasa. Percetakan 3D berasaskan laser boleh menjana kecerunan suhu yang besar dan kadar penyejukan yang tinggi, yang tidak boleh dicapai dengan pendekatan konvensional. Walau bagaimanapun, "potensi untuk memanfaatkan kelebihan gabungan pembuatan bahan tambahan dan HEA untuk mencapai sifat baharu sebahagian besarnya belum diterokai," kata Zhu.

Wen Chen dan pasukannya di UMass Multiscale Materials and Manufacturing Laboratory menggabungkan HEA dengan teknologi pencetakan 3D yang canggih, gabungan katil serbuk laser, untuk membangunkan bahan baharu dengan sifat yang belum pernah berlaku sebelum ini. Kerana proses itu mencairkan dan menguatkan bahan dengan sangat cepat berbanding dengan proses metalurgi tradisional, "anda mendapat struktur mikro yang sangat berbeza yang jauh dari keseimbangan, " kata Chen. Struktur mikroskopik ini kelihatan seperti web, yang terdiri daripada lapisan berselang-seli struktur nanostar yang dikenali sebagai kubik berpusat muka (FCC) dan padu berpusat badan (BCC), tertanam dalam kristal eutektik mikroskopik dengan kumpulan orientasi rawak. HEA berstruktur nano hierarki membolehkan ubah bentuk koperasi kedua-dua fasa.

Chen Wen berkata: "Penyusunan semula atom bagi struktur mikro yang luar biasa ini menghasilkan kekuatan ultra tinggi serta kemuluran yang dipertingkatkan, yang tidak biasa kerana secara umumnya bahan kuat cenderung rapuh. Ini berbeza dengan tuangan logam tradisional. nisbah, kita mendapat hampir tiga kali ganda kekuatan, bukan sahaja tanpa kehilangan kemuluran, tetapi sebenarnya meningkatkan kemuluran pada masa yang sama. Untuk banyak aplikasi, gabungan kekuatan dan kemuluran adalah kunci. Penemuan kami mempunyai implikasi untuk kedua-dua sains bahan dan kejuruteraan Ia asli dan mengujakan."

"Keupayaan untuk menghasilkan HEA dengan kekuatan tinggi dan kemuluran bermakna bahawa bahan cetakan 3D ini lebih kuat dalam menentang ubah bentuk yang digunakan, yang penting untuk reka bentuk struktur ringan dengan kecekapan mekanikal yang lebih baik dan penjimatan tenaga," kata Jie Ren, pengarang pertama kertas itu. .

Kumpulan Ting Zhu di Georgia Tech mengetuai pemodelan pengiraan untuk kajian itu. Mereka membangunkan model pengiraan keplastikan kristal dua fasa untuk memahami peranan mekanikal yang dimainkan oleh nanopartikel FCC dan BCC dan cara ia bekerjasama untuk memberikan bahan peningkatan kekuatan dan kemuluran.

"Hasil simulasi kami menunjukkan kekuatan mengejutkan dan tindak balas pengerasan nanopartikel BCC, yang merupakan kunci untuk mencapai sinergi kekuatan dan kemuluran yang sangat baik dalam aloi kami." Zhu Ting berkata, "Pemahaman mekanistik ini boleh membimbing masa depan Pembangunan HEA bercetak 3D dengan sifat mekanikal khas menyediakan asas yang penting."

Tambahan pula, percetakan 3D menyediakan alat yang berkuasa untuk mengeluarkan bahagian geometri yang kompleks dan tersuai. Pada masa hadapan, memanfaatkan teknologi percetakan 3D dan ruang reka bentuk aloi yang besar HEA menawarkan banyak peluang untuk pengeluaran langsung bahagian hujung untuk aplikasi bioperubatan dan aeroangkasa.