Additiv tillverkning, även kallad 3D-utskrift, används ofta för att bygga komplexa tredimensionella objekt, lager på lager. A*STAR-forskare har visat att processen också kan bidra till att göra en högpresterande legering ännu starkare.

Kobolt-krom-järn-nickel-mangan (CoCrFeNiMn) är känd som en högentropilegering. Upptäcktes 2004, den är särskilt bra på att motstå frakturer under tuffa miljöförhållanden, som låga temperaturer. För att göra ett föremål av legeringen, forskare häller vanligtvis den smälta metallen i en gjutning, låt det svalna, och bearbeta den sedan till önskad form. Dock, detta kan vara ett tidskrävande och kostsamt sätt att tillverka komplexa komponenter. I princip, additiv tillverkning kan hoppa över bearbetningssteget för att direkt tillverka komplexa komponenter.

Nai Mui Ling Sharon från A*STAR Singapore Institute of Manufacturing Technology (SIMTech), hennes kollegor, och internationella samarbetspartners har visat att en additiv tillverkningsmetod, kallas selektiv lasersmältning, lämpar sig väl för att bygga komponenter från CoCrFeNiMn. Processen använder en kraftfull laserstråle för att smälta små pulverpartiklar av legeringen, som sedan smälter ihop till ett fast föremål. Anmärkningsvärt, forskarna fann att processen faktiskt ger ett starkare material än konventionella gjutningsmetoder. "Den uppvisar en förbättrad styrka med en relativt god duktilitet, " säger Zhu Zhiguang, en forskare i SIMTech-teamet som ledde studien.

Forskarna skapade först ett förlegerat pulver av CoCrFeNiMn, innehållande partiklar som var i genomsnitt 36 mikrometer tvärs över. Sedan använde de lasersmältning för att skapa partiklarna till 10 millimeter breda kuber, eller platta stänger på 90 millimeter. De varierade också laserns kraft, och hastigheten som den skannade över legeringspartiklarna, för att förstå hur olika tryckförhållanden påverkade legeringens prestanda.

Analys av proverna avslöjade ett antal egenskaper som avgjorde materialets egenskaper. Till exempel, den innehöll mikroskopiska smältpooler, snarare som miniatyrsvetsar som höll ihop materialet. Den innehöll också långsträckta kristallina korn som var ungefär 13 mikrometer tvärs över; dessa korn delades upp i mindre "celler" som var mindre än en mikrometer breda. Forskarna fann att dessa celler spelade en avgörande roll för att stärka legeringen.

Kristaller innehåller en regelbunden matris av atomer ordnade i upprepade mönster. Stora kristaller klyver ofta ganska lätt - om atomerna i en del av kristallen glider ur sin plats, de tvingar närliggande atomer att glida på samma sätt, skickar en spricka genom hela kristallen.

Men material som bildas av många mindre korn kan undvika detta problem. Det beror på att kristallstrukturen i varje korn kanske inte stämmer överens med sina grannar, så alla atomära dislokationer stannar så snart de når en korngräns.

De små cellerna i forskarens legering verkar förstärka denna stärkande effekt, fånga upp dislokationer och erbjuda en stor förbättring av materialets styrka. En av de tryckta legeringarna, förberedd med optimerade utskriftsförhållanden, kunde stå emot 510 megapascals stress innan den började deformeras permanent. Detta är nästan dubbelt så hög belastning som en konventionellt framställd CoCrFeNiMn-legering kan hantera.

Forskarna värmde sedan upp sina 3D-tryckta föremål vid 900 grader Celsius i en timme under en inert atmosfär. Detta tog delvis bort den cellulära strukturen och minskade materialets styrka, men det gjorde också materialet mer formbart, gör att den kan deformeras ytterligare.

Forskarna hoppas att justering av 3D-utskriftsprocesserna ytterligare kan förbättra materialens mekaniska egenskaper. De planerar också att använda selektiv lasersmältning för att tillverka andra högpresterande legeringar, så att de kan studera hur materialens mikroskopiska struktur påverkar deras egenskaper. "Med denna förståelse, vi kommer att vara bättre rustade att skräddarsy deras fastigheter för industriell tillämpning, och hjälpa till att påskynda införandet av additiv tillverkning, säger Nai.