El primer aliatge nanoestructurat d'alt rendiment imprès en 3D combina ultra-resistència i ductilitat

Un equip de científics ha imprès en 3D un aliatge d'alta entropia nanoestructurat de doble fase que supera altres materials de fabricació additiva d'última generació en resistència i ductilitat. Aquest avenç podria conduir a components de major rendiment per a aplicacions en aeroespacial, medicina, energia i transport. El treball va ser realitzat per investigadors de la Universitat de Massachusetts Amherst i Georgia Tech. Dirigit per Wen Chen, professor associat d'enginyeria mecànica i industrial a UMass Amherst, i Ting Zhu, professor d'enginyeria mecànica a Georgia Tech, es va publicar el 3 d'agost a la revista Nature.

Durant els últims 15 anys, els aliatges d'alta entropia (HEA) han crescut en popularitat com a nou paradigma en la ciència dels materials. Es componen de cinc o més elements en proporcions gairebé iguals, donant als dissenys d'aliatge la capacitat de crear combinacions úniques gairebé il·limitades. Els aliatges tradicionals, com el llautó, l'acer inoxidable, l'acer al carboni i el bronze, contenen una combinació d'un element principal i un o més oligoelements.

La impressió 3D, també coneguda com a fabricació additiva, ha sorgit recentment com un mètode potent de desenvolupament de materials. La impressió 3D basada en làser pot generar grans gradients de temperatura i altes taxes de refrigeració, que no es poden aconseguir amb enfocaments convencionals. Tanmateix, "el potencial d'aprofitar els avantatges combinats de la fabricació additiva i l'HEA per aconseguir noves propietats està en gran part sense aprofitar", va dir Zhu.

Wen Chen i el seu equip del Laboratori de Fabricació i Materials a Multiescala d'UMass van combinar HEA amb la tecnologia d'impressió 3D d'última generació, fusió làser de pols, per desenvolupar nous materials amb propietats sense precedents. Com que el procés es fon i solidifica el material molt ràpidament en comparació amb els processos metal·lúrgics tradicionals, "s'obté una microestructura molt diferent que està lluny de l'equilibri", va dir Chen. Aquesta estructura microscòpica sembla una xarxa, que consisteix en capes alternes d'estructures nanoestrelles conegudes com a cúbic centrat en la cara (FCC) i cúbic centrat en el cos (BCC), incrustats en cristalls eutèctics microscòpics amb un grup d'orientacions aleatòries. L'HEA nanoestructurat jeràrquic permet la deformació cooperativa de les dues fases.

Chen Wen va dir: "La reordenació atòmica d'aquesta microestructura inusual produeix una resistència ultra alta, així com una ductilitat millorada, que és poc freqüent perquè els materials generalment forts solen ser fràgils. Això contrasta amb la fosa de metall tradicional. La proporció, obtenim gairebé tres. vegades la força, no només sense perdre la ductilitat, sinó que en realitat augmenta la ductilitat al mateix temps. Per a moltes aplicacions, la combinació de resistència i ductilitat és clau. Les nostres troballes tenen implicacions tant per a la ciència dels materials com per a l'enginyeria. És original i emocionant".

"La capacitat de produir HEA amb alta resistència i ductilitat significa que aquests materials d'impressió 3D són més forts per resistir la deformació aplicada, la qual cosa és important per al disseny d'estructures lleugeres amb una eficiència mecànica millorada i estalvi d'energia", va dir Jie Ren, el primer autor del document. .

El grup de Ting Zhu a Georgia Tech va dirigir la modelització computacional de l'estudi. Van desenvolupar un model computacional de la plasticitat dels cristalls bifàsics per entendre el paper mecànic que tenen les nanopartícules FCC i BCC i com treballen juntes per donar al material una major resistència i ductilitat.

"Els nostres resultats de simulació mostren la sorprenent resposta de resistència i enduriment de les nanopartícules BCC, que són clau per aconseguir l'excel·lent sinergia de resistència i ductilitat en els nostres aliatges". Zhu Ting va dir: "Aquesta comprensió mecanicista pot guiar el futur. El desenvolupament d'HEA impresos en 3D amb propietats mecàniques especials proporciona una base important".

A més, la impressió 3D proporciona una potent eina per fabricar peces geomètricament complexes i personalitzades. En el futur, aprofitar la tecnologia d'impressió 3D i l'enorme espai de disseny d'aliatges de HEA ofereix nombroses oportunitats per a la producció directa de peces finals per a aplicacions biomèdiques i aeroespacials.