Ultrastarke und duktile 3D-gedruckte Legierung, entwickelt von UMass Amherst und Georgia Tech

Ein Forscherteam aus Universität von Massachusetts in Amherst (UMass) und Georgia-Technologie haben eine zweiphasige, nanostrukturierte Legierung mit hoher Entropie in 3D gedruckt, von der sie behaupten, dass sie die Festigkeit und Duktilität anderer hochmoderner additiv gefertigter Materialien übertrifft.

Die Forschung unter der Leitung von Wen Chen, Assistenzprofessor für Maschinenbau und Wirtschaftsingenieurwesen an der UMass, und Ting Zhu, Professor für Maschinenbau an der Georgia Tech, wurde in der August-Ausgabe der Zeitschrift veröffentlicht Natur.

Hochentropielegierungen (HEA) sind in den letzten 15 Jahren als neues Paradigma in der Materialwissenschaft immer beliebter geworden. Sie bestehen aus fünf oder mehr Elementen in nahezu gleichen Anteilen und bieten die Möglichkeit, eine nahezu unendliche Anzahl einzigartiger Kombinationen für das Legierungsdesign zu erstellen.

Zhu sagte: „Das Potenzial, die kombinierten Vorteile von additiver Fertigung und HEAs zu nutzen, um neue Eigenschaften zu erzielen, bleibt weitgehend unerforscht.“

Chen und sein Team im Multi-Scale Materials and Fabrication Laboratory kombinierten HEA mit Laser-Pulverbettfusion, um neue Materialien mit beispiellosen Eigenschaften zu entwickeln.

„Sie erhalten eine ganz andere Mikrostruktur, die weit vom Gleichgewicht entfernt ist“, sagte Chen bei den erstellten Komponenten. Dies ist auf den Prozess zurückzuführen, der Materialien im Vergleich zur traditionellen Metallurgie sehr schnell schmilzt und verfestigt.

Die Mikrostruktur ist netzartig und besteht aus abwechselnden Schichten, die als flächenzentrierte kubische (FCC) und körperzentrierte kubische (BCC) Nanolamellarstrukturen bezeichnet werden, die in eutektische Mikrokolonien mit zufälligen Orientierungen eingebettet sind. Die hierarchische nanostrukturierte HEA ermöglicht die kooperative Verformung der beiden Phasen.

„Die atomare Neuanordnung dieser ungewöhnlichen Mikrostruktur führt zu einer ultrahohen Festigkeit sowie einer verbesserten Duktilität, was selten ist, da feste Materialien im Allgemeinen dazu neigen, spröde zu sein“, sagte Chen.

Im Vergleich zum herkömmlichen Metallguss habe sich die Festigkeit laut Chen fast verdreifacht und das Material habe seine Duktilität nicht nur verloren, sondern sogar gleichzeitig erhöht.

„Die Fähigkeit, starke und duktile HEAs herzustellen, bedeutet, dass diese 3D-gedruckten Materialien stärker sind, um aufgebrachter Verformung zu widerstehen, was für das Leichtbau-Konstruktionsdesign für eine verbesserte mechanische Effizienz und Energieeinsparungen wichtig ist“, sagte Jie Ren, Ph. D. von Chen. Studentin und Erstautorin des Artikels.

Das Team entwickelte Computermodelle der Zweiphasen-Kristallplastizität. Dies half ihnen, die mechanistischen Rollen zu verstehen, die FCC- und BCC-Nanolamellen spielen, und wie sie zusammenarbeiten, um dem Material zusätzliche Festigkeit und Duktilität zu verleihen.

Zhu sagte: „Dieses mechanistische Verständnis bietet eine wichtige Grundlage für die zukünftige Entwicklung von 3D-gedruckten HEAs mit außergewöhnlichen mechanischen Eigenschaften.

Andere Forschungspartner auf dem Papier schließen ein Texas A&M-Universitätdas Universität von California, Los Angeles, Reis Universität und Ridge Eiche und Lawrence Livermore nationale Laboratorien.

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