Additiv tillverkningsteknik som används för att producera metallegeringar har vunnit popularitet på grund av deras förmåga att tillverkas i komplexa former för användning i olika tekniska tillämpningar. Ändå har majoriteten av genomförda studier fokuserat på att utveckla enfasmaterial.

Dr. Kelvin Xies team vid institutionen för materialvetenskap och teknik vid Texas A&M University använde avancerade karakteriseringstekniker för att avslöja mikrostrukturen hos de 3D-utskrivna dubbelfasiga multiprincipelementen, även kända som högentropilegeringar (HEA), som visar ultrastarka och sega egenskaper. Detta arbete är ett samarbete med Dr Wen Chen från University of Massachusetts i Amherst och Dr Ting Zhu från Georgia Institute of Technology.

Denna studie publicerades nyligen i Nature .

HEA som rapporterades i denna studie tillverkades genom laserpulverbäddfusion (L-PBF) vid University of Massachusetts i Amherst. L-PBF är processen för att värma och kyla material i mycket snabba takter, vilket möjliggör skapandet av unika mikrostrukturer och skräddarsydda mekaniska egenskaper. Forskare har dock till stor del fokuserat på att använda L-PBF för enfasmaterial.

I detta arbete ledde Xie och hans doktorand Dexin Zhao karaktäriseringsarbetet för att förstå 3D-utskrivna tvåfasiga eutektiska HEA:er. Snarare än att vara sammansatt av en enda fas, är tvåfas HEA:er skiktade i en självorganiserad struktur på nanoskala.

"En eutektisk legering liknar en lasagne," sa Xie. "Först har du ett ark pasta, sedan sås, kött och ost. Dessa lager upprepas. I material är den ansiktscentrerade kubiska fasen och kroppscentrerade kubiska fasen som pastaark och fyllningen."

Gränssnitten som separerar dessa faser är starka barriärer som ger ytterligare styrka. Den supersnabba nedkylningshastigheten, som är unik för L-PBF 3D-utskrift, skapade superfina "pastaark" och "fyllning". Detta skapar exceptionellt högdensitetsgränssnitt som är avgörande för kombinationen av utmärkt styrka och duktilitet.

Enligt Xie är detta första gången som forskarna uppnådde den 3D-printade, nanostrukturerade HEA som uppvisar både ultrastarka och formbara egenskaper, en svår bedrift att övervinna inom materialvetenskap på grund av dessa egenskapers motsatta karaktär.

Förutom sina gynnsamma fysiska egenskaper, när det används i applikationer som flyg eller bilar, erbjuder detta material potential att minska energikostnaderna.

"Varhelst energi förbrukas finns det en oro", sa Xie. "Till exempel, en bil som flyttar passagerare förbrukar mycket mer energi för att förflytta sig själv än vad den gör för att flytta passagerarna. Våra resultat visar nya vägar för materialdesign, vilket så småningom kan leda till lättviktsalternativ till många av de material vi för närvarande använder i tillverkningen."

I framtiden hoppas forskarna kunna utnyttja denna teknik för olika tekniska tillämpningar och tillverkningsmaterial som måste vara lätta samtidigt som de motstår deformation.

Denna forskning är ett samarbete mellan University of Massachusetts i Amherst, Georgia Institute of Technology, University of California, Los Angeles, Rice University och Oak Ridge och Lawrence Livermore National Laboratories. + Utforska vidare

Forskare 3D-printar den första högpresterande nanostrukturerade legeringen som är både ultrastark och formbar