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3D打印高性能纳米结构合金,具有超强韧性和延展性

行业资讯 | 2022-08-09 94

      2022年8月6日,一组科学家3D打印了一种双相纳米结构的高熵合金,其强度和延展性超过了其他最先进的增材制造材料。这一突破可能会为航空航天、医学、能源和运输领域的应用带来更高性能的组件。


△研究人员成功地3D打印了一种双相纳米结构的高熵合金
      这项工作由马萨诸塞大学阿默斯特分校,和乔治亚理工学院的研究人员完成。它由麻省大学机械与工业工程助理教授陈文,和佐治亚理工学院机械工程教授朱婷领导。
在过去的 15 年中,高熵合金 (HEA) ,作为一种新的材料科学范式变得越来越流行。它们由几乎相等比例的五种或更多元素组成,并提供了为合金设计,创建近乎无限数量的独特组合能力。传统合金,如黄铜、不锈钢、碳钢和青铜,含有一种主要元素和一种或多种微量元素。


△麻省大学阿默斯特分校机械与工业工程助理教授陈文,站在3D打印的高熵合金组件(散热器风扇和八角晶格的图像(左),和展示随机取向的,纳诺拉梅拉微观结构截面电子反向,散射衍射反极图像前(右)
      3D打印,也被称为增材制造,最近已经成为一种强大的材料开发方法。基于激光的3D打印,可以产生大的温度梯度和高的冷却速率,这是传统途径所不能达到的。然而,朱婷说:"这种利用增材制造,和HEA的综合优势来实现新特性的潜力,在很大程度上仍未得到完全开发。"
      陈教授和他在麻省大学(UMass)多尺度材料和制造实验室的团队,将HEA与最先进的3D打印技术,激光粉末床熔融技术结合起来,开发出具有前所未有的特性的新材料。陈说,因为与传统的冶金学相比,这种工艺可以使材料非常迅速地熔化和凝固,"你会得到一个非常不同的微观结构,这个结构远离平衡",所创建的组件。这种微观结构看起来像一张网,它被称为由面心立方(FCC)和体心立方(BCC)的纳米交替层结构组成,嵌入到具有随机方向的微观共晶群。分层的纳米结构HEA,能够使两相共同变形。


△麻省大学的学生杰仁,拿着一个微型散热风扇,这是由文晨实验室制造的3D打印高熵合金组件之一,马萨诸塞大学(UMass Amherst)和乔治亚理工大学(Georgia Tech)的研究表明,微观结构的原子重排,

产生了超高强度和增强的延展性。

      陈说:“这种不寻常的微观结构的原子重排,产生了超高强度以及增强的延展性,这是不常见的,因为通常坚固的材料往往很脆,”与传统的金属铸造相比,“我们的强度几乎提高了三倍以上,而且不仅没有失去延展性,实际上还提高了延展性,”他说。“对于许多应用来说,强度和延展性的结合是关键。我们的发现对于材料科学和工程来说,都是令人震惊和兴奋的。”
      学生和论文的第一作者,陈杰博士:“未来,拥有能够生产强韧和延展性HEA的能力,意味着这些3D打印材料,在抵抗应用变形方面更加稳健,这对于提高机械效率和节能的轻质结构设计非常重要。”


△该研究已发表在《自然》杂志上,题目为《增材制造的强韧纳米片状高熵合金》
      佐治亚理工学院的朱的团队领导了这项研究的计算建模。他开发了双相晶体塑性计算模型,以了解FCC和BCC纳米薄片所起的机械作用,以及它们如何协同工作以增加材料的强度和延展性。
      朱说:“我们的模拟结果显示了,BCC纳米薄片中令人惊讶的高强度和高硬化响应,这对于我们的合金可以实现出色的强度,以及延展性至关重要。这种具有卓越机械性能的3D打印,为HEA的未来发展提供了重要基础。”
      此外,3D 打印技术还是一种强大的生产工具,它可以用于制作几何复杂和定制的零件。未来,利用该技术特有优势和HEA的巨大合金设计空间,为直接生产用于生物医学和航空航天应用的最终用途组件,提供了充足的机会。



来源丨南极熊3D打印
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