På senare år har det har blivit möjligt att använda laserstrålar och elektronstrålar för att "skriva ut" tekniska objekt med komplexa former som inte kunde uppnås med konventionell tillverkning. Den additiva tillverkningsprocessen (AM), eller 3D-utskrift, för metalliska material innebär smältning och sammansmältning av finskaliga pulverpartiklar - var och en cirka 10 gånger finare än ett korn strandsand - i "pooler" i submillimeterskala skapade genom att fokusera en laser- eller elektronstråle på materialet.

"De högfokuserade strålarna ger utsökt kontroll, möjliggör "justering" av egenskaper på kritiska platser för det utskrivna objektet, sa Tresa Pollock, professor i material och biträdande dekanus vid College of Engineering vid UC Santa Barbara. "Tyvärr, många avancerade metallegeringar som används i extremt värmeintensiva och kemiskt korrosiva miljöer som påträffas i energi, rymd- och nukleära tillämpningar är inte kompatibla med AM-processen."

Utmaningen att upptäcka nya AM-kompatibla material var oemotståndlig för Pollock, en världskänd forskare som forskar om avancerade metalliska material och beläggningar. "Det här var intressant, " Hon sa, "eftersom en serie mycket kompatibla legeringar skulle kunna förändra produktionen av metalliska material med högt ekonomiskt värde - dvs material som är dyra eftersom deras beståndsdelar är relativt sällsynta i jordskorpan - genom att möjliggöra tillverkning av geometriskt komplexa konstruktioner med minimalt materialspill.

"De flesta mycket höghållfasta legeringar som fungerar i extrema miljöer kan inte skrivas ut, för de spricker, " fortsatte Pollock, ALCOA Distinguished Professor of Materials. "De kan spricka i flytande tillstånd, när ett objekt fortfarande skrivs ut, eller i fast tillstånd, efter att materialet har tagits ut och fått några termiska behandlingar. Detta har hindrat människor från att använda legeringar som vi för närvarande använder i applikationer som flygmotorer för att skriva ut nya mönster som kan, till exempel, drastiskt öka prestanda eller energieffektivitet."

Nu, i en artikel i tidskriften Naturkommunikation , Pollock, i samarbete med Carpenter Technologies, Oak Ridge National Laboratory, UCSB-personalforskarna Chris Torbet och Gareth Seward, och UCSB Ph.D. studenter Sean Murray, Kira Pusch, och Andrew Polonsky, beskriver en ny klass av superlegeringar som övervinner detta sprickbildningsproblem och, därför, har ett enormt löfte om att främja användningen av AM för att producera komplexa engångskomponenter för användning i hög stress, högpresterande miljöer.

Forskningen stöddes av ett $3 miljoner Vannevar Bush Faculty Fellowship (VBFF) som Pollock tilldelades från det amerikanska försvarsdepartementet 2017. VBFF är försvarsdepartementets mest prestigefyllda pris för en enskild utredare, stödja grundforskning som kan ha en transformativ effekt.

I tidningen, författarna beskriver en ny klass av höghållfasthet, defektbeständig, 3D-utskrivbara superlegeringar, definieras som typiskt nickelbaserade legeringar som bibehåller sin materialintegritet vid temperaturer upp till 90% av deras smältpunkt. De flesta legeringar faller isär vid 50 % av deras smälttemperatur. Dessa nya superlegeringar innehåller ungefär lika delar kobolt (Co) och nickel (Ni), plus mindre mängder andra element. Dessa material är mottagliga för sprickfri 3D-utskrift via elektronstrålesmältning (EBM) såväl som de mer utmanande laser-pulverbädd-metoderna, vilket gör dem allmänt användbara för den uppsjö av tryckmaskiner som kommer in på marknaden.

På grund av deras utmärkta mekaniska egenskaper vid förhöjda temperaturer, Nickelbaserade superlegeringar är det valda materialet för strukturella komponenter som enkristallturbinblad och skovlar som används i de varma delarna av flygplansmotorer. I en variant av en superlegering som teamet utvecklade, Pollock sa, "Den höga andelen kobolt gjorde det möjligt för oss att designa funktioner i legeringens flytande och fasta tillstånd som gör den kompatibel med en mängd olika tryckförhållanden."

Utvecklingen av den nya legeringen underlättades av tidigare arbete som gjorts som en del av NSF-finansierade projekt i linje med det nationella Materials Genome Initiative, som har det underliggande målet att stödja forskning för att hantera stora utmaningar som samhället står inför genom att utveckla avancerade material "dubbelt så snabbt till halva kostnaden."

Pollocks NSF-arbete inom detta område genomfördes i samarbete med andra UCSB-materialprofessorer Carlos G. Levi och Anton Van der Ven. Deras ansträngningar involverade att utveckla och integrera en svit av beräknings- och högkapacitetslegeringsdesignverktyg som behövs för att utforska det stora flerkomponentssammansättningsutrymme som krävs för att upptäcka nya legeringar. När vi diskuterade det nya dokumentet, Pollock erkände också den viktiga roll som den kollaborativa forskningsmiljön i College of Engineering har som möjliggjort detta arbete.