اولین سه بعدی چاپ با کارایی بالا نانوساختار Alloy ترکیبی از فوق العاده قدرت و بداهه

تیمی از دانشمندان سه بعدی یک کارخانه نانوساختار دو فاز با آنتروپی بالا چاپ کرده اند که از دیگر مواد تولید افزودنی دولت از هنر در قدرت و بداهه پیشی می گیرد. این دستیابی به موفقیت می تواند به اجزای عملکرد بالاتر برای برنامه های کاربردی در هوافضا، پزشکی، انرژی و حمل و نقل منجر شود. این کار توسط محققان دانشگاه ماساچوست امهرست و جورجیا تک به رهبری ون چن، دانشیار مهندسی مکانیک و صنایع در UMass Amherst انجام شد و تینگ ژو، استاد مهندسی مکانیک در جورجیا تک، ۳ اوت در مجله Nature منتشر شد.

در طول ۱۵ سال گذشته، alloys با آنتروپی بالا (HEAs) در محبوبیت به عنوان یک پارادایم جدید در علم مواد رشد کرده اند. آن ها از پنج یا چند عنصر در نسبت های نزدیک برابر تشکیل شده اند و به طرح های alloy توانایی ایجاد ترکیب های منحصر به فرد تقریباً بی حد و حصر را می دهند. ترکیبات سنتی مانند برنج، فولاد ضد زنگ، فولاد کربن و برنز شامل ترکیبی از یک عنصر اصلی و یک یا چند عنصر کمیاب هستند.

چاپ سه بعدی که با نام ساخت افزودنی نیز شناخته می شود، به تازگی به عنوان یک روش توسعه مواد قدرتمند ظهور کرده است. چاپ سه بعدی مبتنی بر لیزر می تواند گرادیان های دمایی بزرگ و نرخ های خنک کننده بالا تولید کند که با رویکردهای معمولی نمی توان به آن دست یافت. با این حال، "پتانسیل اهرم مزایای ترکیبی تولید افزودنی و HEA برای رسیدن به خواص جدید تا حد زیادی دست نخورده است،" ژو گفت.

ون چن و تیمش در آزمایشگاه مواد و ساخت چند مقیاسه UMass HEA را با فناوری چاپ سه بعدی دولت از هنر، همجوشی بستر پودر لیزری، برای توسعه مواد جدید با خواص بی سابقه ترکیب کردند. از آنجا که این فرایند در مقایسه با فرایندهای سنتی متالورژی خیلی سریع مواد را ذوب و جامد می کند، «شما یک ریز ساختار بسیار متفاوت دریافت می کنید که از تعادل دور است.» این ساختار میکروسکوپی شبیه یک وب به نظر می رسد که متشکل از لایه های متناوب ساختارهای نانواستار معروف به مکعب صورت محور (FCC) و مکعب بدنه محور (BCC) است که در کریستال های یوتکتیک میکروسکوپی با گروه جهت گیری های تصادفی تعبیه شده اند. HEA نانوساختار سلسله مراتبی امکان تغییر شکل تعاونی دو فاز را فراهم می کند.

چن ون گفت: بازآرایی اتمی این ریز ساختار غیرمعمول قدرت فوق العاده بالایی و همچنین شکل پذیری افزایش یافته تولید می کند که غیرمعمول است زیرا به طور کلی مواد قوی تمایل به شکننده بودن دارند. این در تضاد با ریخته گری فلزی سنتی است. نسبت، ما تقریبا سه برابر قدرت، نه تنها بدون از دست دادن بداهه، بلکه در واقع افزایش بداهه در همان زمان. برای بسیاری از کاربردها ترکیب قدرت و بداهه کلید است. یافته های ما پیامدهایی برای هر دو علم مواد و مهندسی آن اصلی و هیجان انگیز است."

جی رن، اولین نویسنده این مقاله می گوید: «توانایی تولید HEAs با قدرت و شکل پذیری بالا به این معنی است که این مواد چاپ سه بعدی در مقاومت در برابر تغییر شکل کاربردی قوی تر هستند که برای طراحی ساختارهای سبک وزن با بهبود کارایی مکانیکی و صرفه جویی در انرژی مهم است.»

گروه تینگ ژو در جورجیا تک رهبری مدل سازی محاسباتی برای مطالعه را بر دست داشت. آن ها یک مدل محاسباتی از پلاستیته کریستال های دو فاز توسعه دادند تا نقش مکانیکی ایفا شده توسط نانوذرات FCC و BCC و چگونگی کار با هم را درک کنند تا به مواد قدرت و بداهه افزایش یابد.

"نتایج شبیه سازی ما نشان می دهد قدرت شگفت آور و پاسخ سخت کننده نانوذرات BCC، که کلیدی برای دستیابی به هم افزایی عالی قدرت و بداهه در الیاف ما است." ژو تینگ گفت: «این درک مکانیستی می تواند آینده را هدایت کند توسعه HEAs چاپ شده سه بعدی با خواص مکانیکی ویژه پایه مهمی را فراهم می کند.»

علاوه بر این، چاپ سه بعدی ابزار قدرتمندی را برای ساخت قطعات پیچیده هندسی و سفارشی فراهم می کند. در آینده اهرم فناوری چاپ سه بعدی و فضای عظیم طراحی alloy HEA فرصت های متعددی را برای تولید مستقیم قطعات پایانی برای کاربردهای زیست پزشکی و هوافضا ارائه می دهد.