Additieve fabricagetechnieken die worden gebruikt om metaallegeringen te produceren, zijn populair geworden vanwege hun vermogen om in complexe vormen te worden vervaardigd voor gebruik in verschillende technische toepassingen. Toch hebben de meeste uitgevoerde onderzoeken zich gericht op de ontwikkeling van enkelfasige materialen.

Het team van Dr. Kelvin Xie in de afdeling Materials Science and Engineering aan de Texas A&M University gebruikte geavanceerde karakteriseringstechnieken om de microstructuur te onthullen van de 3D-geprinte tweefasige multi-principiële elementen, ook bekend als hoge entropielegeringen (HEA's), die ultrasterke en taaie eigenschappen. Dit werk is een samenwerking met Dr. Wen Chen van de Universiteit van Massachusetts in Amherst en Dr. Ting Zhu van het Georgia Institute of Technology.

Deze studie is onlangs gepubliceerd in Nature .

De HEA die in dit onderzoek wordt gerapporteerd, is gefabriceerd door middel van laserpoederbedfusie (L-PBF) aan de Universiteit van Massachusetts in Amherst. L-PBF is het proces waarbij materialen met zeer hoge snelheden worden verwarmd en gekoeld, waardoor unieke microstructuren kunnen worden gecreëerd en mechanische eigenschappen kunnen worden aangepast. Onderzoekers hebben zich echter grotendeels gericht op het gebruik van L-PBF voor enkelfasige materialen.

In dit werk leidden Xie en zijn afgestudeerde student Dexin Zhao de karakteriseringsinspanning om 3D-geprinte tweefasige eutectische HEA's te begrijpen. In plaats van te zijn samengesteld uit een enkele fase, zijn tweefasige HEA's gelaagd in een zelfgeorganiseerde structuur op nanoschaal.

"Een eutectische legering is vergelijkbaar met een lasagne," zei Xie. "Eerst heb je een vel pasta, dan saus, vlees en kaas. Deze lagen herhalen zich. In materialen zijn de op het gezicht gecentreerde kubische fase en de op het lichaam gecentreerde kubische fase zoals pastavellen en de vulling."

De interfaces die deze fasen scheiden, zijn sterke barrières die voor extra sterkte zorgen. De supersnelle afkoelsnelheid, die uniek is voor L-PBF 3D-printen, creëerde de superfijne "pastavellen" en "vulling". Dit creëert interfaces met uitzonderlijk hoge dichtheid die cruciaal zijn voor de combinatie van uitstekende sterkte en ductiliteit.

Volgens Xie is dit de eerste keer dat de onderzoekers de 3D-geprinte, nanogestructureerde HEA bereikten die zowel ultrasterke als ductiele eigenschappen vertoont, een prestatie die moeilijk te overwinnen is in de materiaalkunde vanwege de tegengestelde aard van deze kenmerken.

Naast zijn gunstige fysieke eigenschappen, biedt dit materiaal bij gebruik in toepassingen zoals de ruimtevaart of auto's het potentieel om de energiekosten te verlagen.

"Overal waar energie wordt verbruikt, is er een probleem", zegt Xie. "Een auto die passagiers vervoert, verbruikt bijvoorbeeld veel meer energie om zichzelf te verplaatsen dan om de passagiers te verplaatsen. Onze bevindingen laten nieuwe wegen zien voor materiaalontwerp, wat uiteindelijk kan leiden tot lichtgewicht alternatieven voor veel van de materialen die we momenteel gebruiken bij de productie."

In de toekomst hopen de onderzoekers deze technologie te gebruiken voor verschillende technische toepassingen en fabricagematerialen die lichtgewicht moeten zijn en tegelijkertijd weerstand moeten bieden aan vervorming.

Dit onderzoek is een samenwerking tussen de Universiteit van Massachusetts in Amherst, het Georgia Institute of Technology, de University of California, Los Angeles, Rice University en de Oak Ridge en Lawrence Livermore National Laboratories. + Verder verkennen

Onderzoekers 3D printen eerste hoogwaardige nanogestructureerde legering die zowel ultrasterk als ductiel is