In een voorschot dat zou kunnen leiden tot een verbeterde productie, een nieuwe studie door UCLA-onderzoekers toont aan dat het toevoegen van nanodeeltjes aan metalen tijdens het smeltproces zorgt voor een betere controle tijdens het smelten.

Het smelten en stollen van metalen zijn belangrijke processen in de productie, gebruikt bij het lassen en ook bij 3D-printen. Bijvoorbeeld, laserlassen wordt al tientallen jaren gebruikt om auto's en schepen te bouwen. Echter, de onderzoekers suggereren dat verbeteringen in smelt-/stollingsprocessen financiële voordelen kunnen hebben als gevolg van verhoogde efficiëntie en betrouwbaarheid.

Er zijn twee belangrijke "zones" in een metaal tijdens het smelten. De eerste is de "smeltzone, " waar het metaal in een vloeistof verandert, waardoor het naar wens kan worden uitgespreid en gevormd. De tweede is de 'door warmte beïnvloede zone'. In deze aangrenzende zone het metaal is niet gesmolten, maar de microstructuur kan door de hitte verslechteren.

Hoe groter een smeltzone is, hoe groter de nabijgelegen door warmte beïnvloede zone is. Echter, voor productie, het tegenovergestelde effect is juist gewenst. Een diepe en gemaximaliseerde smeltzone in combinatie met een overeenkomstige minimale door warmte beïnvloede zone zou een smeltgebied van hoge kwaliteit mogelijk maken, terwijl de gevoeligheid voor mogelijke defecten in het aangrenzende gebied wordt verlaagd.

Het team, geleid door Xiaochun Li, hoogleraar mechanische en ruimtevaarttechniek aan de UCLA Henry Samueli School of Engineering and Applied Science, toonde aan dat door het toevoegen van nanodeeltjes aluminiumoxide tijdens een later smelten van nikkel, ze zouden de diepte van de smeltzone van het metaal met 68 procent kunnen vergroten, terwijl de door warmte aangetaste zone met 67 procent wordt verminderd. Het toevoegen van nanodeeltjes siliciumcarbide leverde vergelijkbare resultaten op. Het onderzoek is vandaag gepubliceerd in Natuurcommunicatie .

"Onze ontdekking van het ongebruikelijke smelten en stollen van materialen die nanodeeltjes bevatten, zal niet alleen onmiddellijke gevolgen hebben voor bestaande smelt- en stollingsproductieprocessen, maar ook bij andere toepassingen, zoals farmaceutische verwerking en energieopslag, " zei Li, die de Raytheon-leerstoel in Manufacturing Engineering bekleedt.

De toegevoegde nanodeeltjes verminderen de warmteafvoer tijdens het smeltproces, Li zei, een gesmolten zone maken die dieper is, terwijl de door warmte aangetaste zone ondieper is.

Er zijn twee fysieke mechanismen die ervoor zorgen dat hun door nanodeeltjes ondersteunde proces werkt, zei Li. Eerst, de nanodeeltjes verminderen de thermische geleidbaarheid, daardoor verminderende geleidende warmteoverdracht naar de rest van het materiaal - in wezen, ze houden meer warmte vast.

Tweede, de nanodeeltjes verhogen de viscositeit in de gesmolten zone, die de zogenaamde thermocapillaire stroming onderdrukt. Dit vertraagt ​​ook de warmteoverdracht vanuit de gesmolten zone.

Li voegde eraan toe dat de controle van microstructuren door nanodeeltjes van invloed zal zijn op verschillende bestaande verwerkingstechnologieën, zoals lassen en 3D-printen, waar de verslechtering van de microstructuren en materiaaleigenschappen van de door warmte aangetaste zone een ernstig probleem is dat de prestaties van de componenten beperkt.

"Bijvoorbeeld, dit zou kunnen worden gebruikt om de fabricage van lichtgewicht, hoogwaardige onderdelen, zoals vliegtuigvleugels en windturbinebladen, of het maken van precisiecomponenten zoals mechanische tandwielen, ' zei Li.