I ett framsteg som skulle kunna leda till förbättrad tillverkning, en ny studie av UCLA-forskare visar att tillsats av nanopartiklar till metaller under smältningsprocessen möjliggör bättre kontroll under smältning.

Smältning och stelning av metaller är viktiga processer vid tillverkning, används vid svetsning och även 3D-utskrift. Till exempel, lasersvetsning har använts för att bygga bilar och fartyg i decennier. Dock, forskarna föreslår att förbättringar i smält-/stelningsprocesser kan ha ekonomiska fördelar till följd av ökad effektivitet och tillförlitlighet.

Det finns två viktiga "zoner" i en metall under smältning. Den första är "smältzonen, "där metallen förvandlas till en vätska, vilket gör att den kan spridas och formas efter önskemål. Den andra är den "värmepåverkade zonen". I denna intilliggande zon, metallen är inte smält, men dess mikrostruktur kan försämras av värmen.

Ju större en smältzon är, desto större är den närliggande värmepåverkade zonen. Dock, för tillverkning, motsatt effekt önskas faktiskt. En djup och maximerad smältzon i kombination med en motsvarande minimal värmepåverkad zon skulle möjliggöra ett smältområde av hög kvalitet, samtidigt som känsligheten för potentiella defekter i det intilliggande området minskar.

Laget, leds av Xiaochun Li, professor i maskin- och rymdteknik vid UCLA Henry Samueli School of Engineering and Applied Science, visade att genom att tillsätta partiklar av aluminiumoxid i nanoskala under en senare smältning av nickel, de kan öka djupet på metallens smältzon med 68 procent, samtidigt som den värmepåverkade zonen minskar med 67 procent. Tillsats av nanopartiklar av kiselkarbid visade liknande resultat. Forskningen publicerades idag i Naturkommunikation .

"Vår upptäckt av den ovanliga smältningen och stelningen av material som innehåller nanopartiklar kommer inte bara att ha omedelbara effekter på befintliga smältnings- och stelningstillverkningsprocesser, men även på andra applikationer, såsom läkemedelsbearbetning och energilagring, " sa Li som innehar Raytheon-stolen i tillverkningsteknik.

De tillsatta nanopartiklarna minskar värmeavledning under smältningsprocessen, Li sa, skapa en smält zon som är djupare, medan den värmepåverkade zonen är grundare.

Det finns två fysiska mekanismer som gör att deras nanopartikelassisterade process fungerar, sa Li. Först, nanopartiklarna minskar värmeledningsförmågan, därför minskar den ledande värmeöverföringen till resten av materialet - i huvudsak, de fångar in mer värme.

Andra, nanopartiklarna ökar viskositeten i den smälta zonen, som undertrycker det som kallas termokapillärt flöde. Detta saktar också ner värmeöverföringen inifrån den smälta zonen.

Li tillade att kontrollen av mikrostrukturer av nanopartiklar kommer att påverka olika befintliga processtekniker, som svetsning och 3D-utskrift, där försämringen av mikrostrukturerna och materialegenskaperna i den värmepåverkade zonen är ett allvarligt problem som begränsar komponenternas prestanda.

"Till exempel, detta kan användas för att förbättra tillverkningen av lätta, högpresterande delar, såsom flygplansvingar och vindturbinblad, eller tillverka precisionskomponenter som mekaniska växlar, " sa Li.