Перший 3D-друкований високопродуктивний наноструктурований сплав поєднує в собі надміцність і пластичність

Команда вчених 3D-друкувала двофазний наноструктурований високоентропійний сплав, який перевершує інші найсучасніші матеріали адитивного виробництва за міцністю та пластичністю. Цей прорив може призвести до більш високої продуктивності компонентів для застосування в аерокосмічній галузі, медицині, енергетиці та транспорті. Робота була виконана дослідниками Массачусетського університету Амхерста і Georgia Tech. На чолі з Вень Ченом, доцентом механічної та промислової інженерії в UMass Amherst, і Тінг Чжу, професором машинобудування в Georgia Tech, вона була опублікована 3 серпня в журналі Nature.

За останні 15 років популярність високоентропійних сплавів (ВНЗ) зросла як нова парадигма в матеріалознавстві. Вони складаються з п'яти і більше елементів майже в рівних пропорціях, надаючи конструкціям сплавів можливість створювати практично безмежні унікальні комбінації. Традиційні сплави, такі як латунь, нержавіюча сталь, вуглецева сталь і бронза, містять комбінацію одного основного елемента і одного або декількох мікроелементів.

3D-друк, також відомий як адитивне виробництво, нещодавно з'явився як потужний метод розробки матеріалів. Лазерний 3D-друк може генерувати великі температурні градієнти та високі швидкості охолодження, чого неможливо досягти звичайними підходами. Однак «потенціал використання комбінованих переваг адитивного виробництва та ВНЗ для досягнення нових властивостей значною мірою невикористаний», сказав Чжу.

Вен Чен та його команда в лабораторії багатомасштабних матеріалів та виробництва UMass об'єднали HEA з найсучаснішою технологією 3D-друку, лазерним порошковим злиттям, для розробки нових матеріалів з безпрецедентними властивостями. Оскільки процес плавиться і застигає матеріал дуже швидко в порівнянні з традиційними металургійними процесами, «ви отримуєте зовсім іншу мікроструктуру, далеку від рівноваги», - сказав Чен. Ця мікроскопічна структура виглядає як павутина, що складається з чергуються шарів нанозіркових структур, відомих як гранецентрированная кубічна (FCC) і об'ємно-центрована кубічна (BCC), вбудована в мікроскопічні евтектичні кристали з групою випадкових орієнтацій. Ієрархічна наноструктурована HEA забезпечує кооперативну деформацію двох фаз.

Чен Вень сказав: «Атомна перебудова цієї незвичайної мікроструктури забезпечує надвисоку міцність, а також підвищену пластичність, що є рідкістю, оскільки зазвичай міцні матеріали, як правило, крихкі. Це на відміну від традиційного металевого лиття. співвідношення, ми отримуємо майже в три рази більше міцності, не тільки не втрачаючи пластичності, але і фактично підвищуючи пластичність при цьому. Для багатьох застосувань поєднання міцності і пластичності є ключовим. Наші висновки мають наслідки як для матеріалознавства, так і для інженерії Це оригінально та захоплююче ».

«Здатність виробляти ВНЗ з високою міцністю і пластичністю означає, що ці матеріали для 3D-друку міцніші в опорі прикладеної деформації, що важливо для проектування легких конструкцій з поліпшеною механічною ефективністю і економією енергії», - сказав Джі Рен, перший автор статті.

Група Тін Чжу в Georgia Tech очолила обчислювальне моделювання для дослідження. Вони розробили обчислювальну модель пластичності двофазних кристалів, щоб зрозуміти механічну роль, яку відіграють наночастинки FCC і BCC, і як вони працюють разом, щоб надати матеріалу підвищену міцність і пластичність.

«Наші результати моделювання показують дивовижну реакцію міцності та зміцнення наночастинок BCC, які є ключовими для досягнення чудової синергії міцності та пластичності в наших сплавах». Чжу Тін сказав: «Це механістичне розуміння може керувати майбутнім Розвиток 3D-друкованих ВНЗ зі спеціальними механічними властивостями забезпечує важливу основу».

Крім того, 3D-друк надає потужний інструмент для виготовлення геометрично складних і нестандартних деталей. У майбутньому використання технології 3D-друку та величезного простору дизайну сплавів HEA пропонує численні можливості для прямого виробництва кінцевих деталей для біомедичних та аерокосмічних застосувань.