Двухфазный наноструктурированный высокоэнтропийный сплав, напечатанный на 3D-принтере исследователями из Массачусетского университета в Амхерсте и Технологического института Джорджии , прочнее и пластичнее, чем другие передовые материалы, изготовленные методом аддитивного производства. Это открытие может привести к созданию компонентов с более высокими характеристиками для использования в аэрокосмической, медицинской, энергетической и транспортной сферах.
Исследование было опубликовано в онлайн -журнале Nature, и его возглавляли Вен Чен, доцент кафедры машиностроения и промышленной инженерии в UMass, и Тинг Чжу, профессор машиностроения в Технологическом институте Джорджии.
Высокоэнтропийные сплавы (HEA), как их называют, приобрели популярность как новая парадигма в материаловедении за последние 15 лет. Они позволяют создавать почти неограниченное количество различных конструкций сплавов, поскольку они включают пять или более элементов в почти равных количествах. Латунь, углеродистая сталь, нержавеющая сталь и бронза являются примерами традиционных сплавов, в которых основной элемент смешивается с одним или несколькими микроэлементами.
Вэнь Ченом, доцентом кафедры машиностроения и промышленной инженерии Университета Массачусетского университета в Амхерсте показана карта поперечного сечения, полученная путем дифракции обратного рассеяния электронов, на которой отображается случайно ориентированная микроструктура наноламелей, а также изображения компонентов высокоэнтропийного сплава, напечатанных на 3D-принтере. .
Вэнь Чен стоит перед изображениями компонентов из высокоэнтропийного сплава, напечатанных на 3D-принтере. Источник: Университет Массачусетса в Амхерсте .
Аддитивное производство, также называемое 3D-печатью , недавно стало мощным подходом к разработке материалов. Лазерная 3D-печать может создавать большие температурные градиенты и высокие скорости охлаждения, которые недоступны обычными способами. Однако «потенциал использования объединенных преимуществ аддитивного производства и HEA для достижения новых свойств остается в значительной степени неисследованным», — говорит Чжу.
Чен и его команда в Лаборатории многомасштабных материалов и производства объединили HEA с передовым методом 3D-печати, называемым лазерным сплавлением в порошковом слое, для создания новых материалов с неслыханными качествами. По сравнению с традиционной металлургией, эта процедура заставляет материалы плавиться и затвердевать намного быстрее, что приводит к «совершенно другой микроструктуре, которая далека от равновесия» на производимых компонентах, утверждает Чен.
Новый материал напоминает сеть, если смотреть на нее в наномасштабе
Эта микроструктура, напоминающая сеть, состоит из чередующихся слоев гранецентрированных кубических (ГЦК) и объемно-центрированных кубических (ОЦК) наноламеллярных структур, заключенных в небольшие, беспорядочно ориентированные эвтектические колонии. Две фазы могут совместно деформироваться благодаря иерархической наноструктуре HEA.
«Атомная перегруппировка этой необычной микроструктуры приводит к сверхвысокой прочности, а также к повышенной пластичности, что необычно, потому что обычно прочные материалы имеют тенденцию быть хрупкими», — пояснил Чен. По сравнению с обычным литьем металла, «мы получили почти трехкратное увеличение прочности и не только не потеряли пластичность, но и одновременно увеличили ее», — говорит он. «Для многих применений ключевым является сочетание прочности и пластичности. Наши выводы оригинальны и интересны как для материаловедения, так и для инженерии», — добавил он.
«Возможность производить прочные и пластичные HEA означает, что эти 3D-печатные материалы более устойчивы к деформации, что важно для легких структурных конструкций для повышения механической эффективности и энергосбережения», — говорит Цзе Рен, доктор философии Чена. студент и первый автор статьи.
Компьютерное моделирование для исследования координировалось командой Чжу из Технологического института Джорджии. Чтобы понять механические роли, которые играют как ГЦК, так и ОЦК наноламели, и то, как они взаимодействуют, чтобы придать материалу большую прочность и пластичность, он построил двухфазные компьютерные модели пластичности кристаллов.
«Результаты нашего моделирования показывают удивительно высокую прочность, но при этом высокие реакции на упрочнение нанопластин ОЦК, которые имеют решающее значение для достижения выдающегося синергетического эффекта прочности и пластичности нашего сплава. Это механистическое понимание обеспечивает важную основу для руководства будущей разработкой 3D-печатных HEA с исключительными механическими свойствами», — говорит Чжу.
Кроме того, 3D-печать предоставляет мощный инструмент для производства деталей сложной геометрии. Будущее прямое производство конечных компонентов для биомедицинских и аэрокосмических приложений будет иметь множество вариантов благодаря сочетанию технологии 3D-печати и огромного пространства для проектирования сплавов HEA.
Вы можете сами просмотреть все исследование в журнале Nature .
Будьте в курсе в удобном формате, присоединяйтесь: TG-канал и ВК
Бесплатная служба распространения новостей для научных организаций и стартапов
hello@technovery.com