Een team van onderzoekers van de Universiteit van Massachusetts Amherst en het Georgia Institute of Technology heeft een tweefasige, nanogestructureerde legering met hoge entropie in 3D geprint die de sterkte en taaiheid van andere geavanceerde additief vervaardigde materialen overtreft, wat zou kunnen leiden tot hoogwaardigere componenten voor toepassingen in de lucht- en ruimtevaart, geneeskunde, energie en transport. Het werk, geleid door Wen Chen, assistent-professor werktuigbouwkunde en industriële techniek aan de UMass, en Ting Zhu, hoogleraar werktuigbouwkunde aan Georgia Tech, wordt online gepubliceerd door het tijdschrift Nature .

In de afgelopen 15 jaar zijn legeringen met hoge entropie (HEA's) steeds populairder geworden als een nieuw paradigma in de materiaalwetenschap. Bestaande uit vijf of meer elementen in bijna gelijke verhoudingen, bieden ze de mogelijkheid om een ​​bijna oneindig aantal unieke combinaties te creëren voor het ontwerp van legeringen. Traditionele legeringen, zoals messing, koolstofstaal, roestvrij staal en brons, bevatten een primair element gecombineerd met een of meer sporenelementen.

Additive manufacturing, ook wel 3D-printen genoemd, is onlangs naar voren gekomen als een krachtige benadering van materiaalontwikkeling. Het op laser gebaseerde 3D-printen kan grote temperatuurgradiënten en hoge koelsnelheden produceren die niet gemakkelijk toegankelijk zijn via conventionele routes. "Het potentieel van het benutten van de gecombineerde voordelen van additive manufacturing en HEA's voor het bereiken van nieuwe eigenschappen blijft echter grotendeels onontgonnen", zegt Zhu.

Chen en zijn team in het Multiscale Materials and Manufacturing Laboratory combineerden een HEA met een ultramoderne 3D-printtechniek, laserpoederbedfusie genaamd, om nieuwe materialen met ongekende eigenschappen te ontwikkelen. Omdat het proces ervoor zorgt dat materialen zeer snel smelten en stollen in vergelijking met traditionele metallurgie, "krijg je een heel andere microstructuur die verre van evenwicht is" op de gecreëerde componenten, zegt Chen. Deze microstructuur ziet eruit als een net en is gemaakt van afwisselende lagen die bekend staan ​​als face-centered cubic (FCC) en body-centered cubic (BCC) nanolamellaire structuren ingebed in eutectische kolonies op microschaal met willekeurige oriëntaties. De hiërarchische nanogestructureerde HEA maakt coöperatieve vervorming van de twee fasen mogelijk.

"De atomaire herschikking van deze ongebruikelijke microstructuur geeft aanleiding tot ultrahoge sterkte en verbeterde ductiliteit, wat ongebruikelijk is, omdat sterke materialen meestal bros zijn", zegt Chen. Vergeleken met conventioneel metaalgieten, "kregen we bijna drie keer de sterkte en verloren we niet alleen de ductiliteit, maar verhoogden we het zelfs tegelijkertijd", zegt hij. "Voor veel toepassingen is een combinatie van sterkte en vervormbaarheid essentieel. Onze bevindingen zijn origineel en opwindend voor zowel materiaalwetenschap als engineering."

"The ability to produce strong and ductile HEAs means that these 3D printed materials are more robust in resisting applied deformation, which is important for lightweight structural design for enhanced mechanical efficiency and energy saving," says Jie Ren, Chen's Ph.D. student and first author of the paper.

Zhu's group at Georgia Tech led the computational modeling for the research. He developed dual-phase crystal plasticity computational models to understand the mechanistic roles played by both the FCC and BCC nanolamellae and how they work together to give the material added strength and ductility.

"Our simulation results show the surprisingly high strength yet high hardening responses in the BCC nanolamellae, which are pivotal for achieving the outstanding strength-ductility synergy of our alloy. This mechanistic understanding provides an important basis for guiding the future development of 3D printed HEAs with exceptional mechanical properties," Zhu says.

In addition, 3D printing offers a powerful tool to make geometrically complex and customized parts. In the future, harnessing 3D printing technology and the vast alloy design space of HEAs opens ample opportunities for the direct production of end-use components for biomedical and aerospace applications.

Additional research partners on the paper include Texas A&M University, the University of California Los Angeles, Rice University, and Oak Ridge and Lawrence Livermore national laboratories. + Verder verkennen

Using neutrons to analyze modified high-entropy metal alloys