In recente jaren, het is mogelijk geworden om laserstralen en elektronenstralen te gebruiken om technische objecten te "printen" met complexe vormen die niet kunnen worden bereikt door conventionele productie. Het additieve fabricageproces (AM), of 3D-printen, voor metalen materialen omvat het smelten en samensmelten van fijne poederdeeltjes - elk ongeveer 10 keer fijner dan een korrel strandzand - in "poelen" op submillimeterschaal die worden gecreëerd door een laser- of elektronenstraal op het materiaal te focussen.

"De zeer gerichte bundels bieden uitstekende controle, het mogelijk maken van 'tuning' van eigenschappen op kritieke locaties van het afgedrukte object, " zei Tresa Pollock, een professor in materialen en associate dean van het College of Engineering aan de UC Santa Barbara. "Helaas, veel geavanceerde metaallegeringen die worden gebruikt in extreem hitte-intensieve en chemisch corrosieve omgevingen die worden aangetroffen in energie, ruimte- en nucleaire toepassingen zijn niet compatibel met het AM-proces."

De uitdaging om nieuwe AM-compatibele materialen te ontdekken was onweerstaanbaar voor Pollock, een wereldberoemde wetenschapper die onderzoek doet naar geavanceerde metalen materialen en coatings. "Dit was interessant, " ze zei, "omdat een reeks zeer compatibele legeringen de productie van metallische materialen met een hoge economische waarde zou kunnen transformeren - d.w.z. materialen die duur zijn omdat hun bestanddelen relatief zeldzaam zijn in de aardkorst - door de vervaardiging van geometrisch complexe ontwerpen mogelijk te maken met minimaal materiaalverspilling.

"De meeste zeer sterke legeringen die in extreme omgevingen werken, kunnen niet worden afgedrukt, omdat ze kraken, " vervolgde Pollock, de ALCOA Distinguished Professor of Materials. "Ze kunnen barsten in hun vloeibare toestand, wanneer een object nog wordt afgedrukt, of in vaste toestand, nadat het materiaal is verwijderd en enkele thermische behandelingen heeft ondergaan. Dit heeft mensen ervan weerhouden legeringen te gebruiken die we momenteel gebruiken in toepassingen zoals vliegtuigmotoren om nieuwe ontwerpen te printen die, bijvoorbeeld, de prestaties of energie-efficiëntie drastisch verhogen."

Nutsvoorzieningen, in een artikel in het tijdschrift Natuurcommunicatie , Pollock, in samenwerking met Carpenter Technologies, Oak Ridge Nationaal Laboratorium, UCSB-stafwetenschappers Chris Torbet en Gareth Seward, en UCSB Ph.D. studenten Sean Murray, Kira Pusch, en Andrew Polonsky, beschrijft een nieuwe klasse van superlegeringen die dit kraakprobleem oplossen en, daarom, veelbelovend voor het bevorderen van het gebruik van AM om complexe eenmalige componenten te produceren voor gebruik bij hoge stress, high-performance omgevingen.

Het onderzoek werd ondersteund door een Vannevar Bush Faculty Fellowship (VBFF) van $ 3 miljoen die Pollock in 2017 ontving van het Amerikaanse ministerie van Defensie. De VBFF is de meest prestigieuze prijs voor één onderzoeker van het ministerie van Defensie. ondersteunen van fundamenteel onderzoek dat een transformerende impact zou kunnen hebben.

In de krant, beschrijven de auteurs een nieuwe klasse van zeer sterke, defectbestendig, 3D-afdrukbare superlegeringen, gedefinieerd als typisch op nikkel gebaseerde legeringen die hun materiaalintegriteit behouden bij temperaturen tot 90% van hun smeltpunt. De meeste legeringen vallen uiteen bij 50% van hun smelttemperatuur. Deze nieuwe superlegeringen bevatten ongeveer gelijke delen kobalt (Co) en nikkel (Ni), plus kleinere hoeveelheden andere elementen. Deze materialen zijn vatbaar voor scheurvrij 3D-printen via elektronenstraalsmelten (EBM) en de meer uitdagende laser-poederbed-benaderingen, waardoor ze in het algemeen bruikbaar zijn voor de overvloed aan drukmachines die op de markt komen.

Vanwege hun uitstekende mechanische eigenschappen bij verhoogde temperaturen, Op nikkel gebaseerde superlegeringen zijn het materiaal bij uitstek voor structurele componenten zoals eenkristal (SX) turbinebladen en schoepen die worden gebruikt in de hete delen van vliegtuigmotoren. In een variant van een superlegering die het team ontwikkelde, Pollock zei, "Het hoge percentage kobalt stelde ons in staat om kenmerken in de vloeibare en vaste toestand van de legering te ontwerpen die deze compatibel maken met een breed scala aan drukomstandigheden."

De ontwikkeling van de nieuwe legering werd mogelijk gemaakt door eerder werk dat is gedaan als onderdeel van door NSF gefinancierde projecten die zijn afgestemd op het nationale Materials Genome Initiative, die het onderliggende doel heeft om onderzoek te ondersteunen om grote uitdagingen aan te gaan waarmee de samenleving wordt geconfronteerd door geavanceerde materialen te ontwikkelen "twee keer zo snel tegen de helft van de kosten".

Pollock's NSF-werk op dit gebied werd uitgevoerd in samenwerking met collega-UCSB materiaalprofessoren Carlos G. Levi en Anton Van der Ven. Hun inspanningen omvatten het ontwikkelen en integreren van een reeks rekenkundige en high-throughput ontwerptools voor legeringen die nodig zijn om de grote samenstellingsruimte met meerdere componenten te verkennen die nodig is om nieuwe legeringen te ontdekken. Bij de bespreking van het nieuwe artikel, Pollock erkende ook de belangrijke rol van de collaboratieve onderzoeksomgeving in het College of Engineering die dit werk mogelijk heeft gemaakt.