首个3D打印高性能纳米结构合金,具有超强韧性和延展性

3D打印资讯
2022
08/06
15:00
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本帖最后由 冰墩熊 于 2022-8-6 11:50 编辑

2022年8月6日,南极熊获悉,一组科学家3D打印了一种双相纳米结构的高熵合金,其强度和延展性超过了其他最先进的增材制造材料。这一突破可能会为航空航天医学能源和运输领域的应用带来更高性能的组件。

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△研究人员成功地3D打印了一种双相纳米结构的高熵合金

这项工作由马萨诸塞大学阿默斯特分校,和乔治亚理工学院的研究人员完成。它由麻省大学机械与工业工程助理教授陈文,和佐治亚理工学院机械工程教授朱婷领导。

在过去的 15 年中,高熵合金 (HEA) ,作为一种新的材料科学范式变得越来越流行。它们由几乎相等比例的五种或更多元素组成,并提供了为合金设计,创建近乎无限数量的独特组合能力。传统合金,如黄铜、不锈钢、碳钢和青铜,含有一种主要元素和一种或多种微量元素。

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△麻省大学阿默斯特分校机械与工业工程助理教授陈文,站在3D打印的高熵合金组件(散热器风扇和八角晶格的图像(左),和展示随机取向的,纳诺拉梅拉微观结构截面电子反向,散射衍射反极图像前(右)

3D打印,也被称为增材制造,最近已经成为一种强大的材料开发方法。基于激光的3D打印,可以产生大的温度梯度和高的冷却速率,这是传统途径所不能达到的。然而,朱婷说:"这种利用增材制造,和HEA的综合优势来实现新特性的潜力,在很大程度上仍未得到完全开发。"

陈教授和他在麻省大学(UMass)多尺度材料和制造实验室的团队,将HEA与最先进的3D打印技术,激光粉末床熔融技术结合起来,开发出具有前所未有的特性的新材料。陈说,因为与传统的冶金学相比,这种工艺可以使材料非常迅速地熔化和凝固,"你会得到一个非常不同的微观结构,这个结构远离平衡",所创建的组件。这种微观结构看起来像一张网,它被称为由面心立方(FCC)和体心立方(BCC)的纳米交替层结构组成,嵌入到具有随机方向的微观共晶群。分层的纳米结构HEA,能够使两相共同变形。

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△麻省大学的学生杰仁,拿着一个微型散热风扇,这是由文晨实验室制造的3D打印高熵合金组件之一,马萨诸塞大学(UMass Amherst)和乔治亚理工大学(Georgia Tech)的研究表明,微观结构的原子重排,产生了超高强度和增强的延展性

陈说:“这种不寻常的微观结构的原子重排,产生了超高强度以及增强的延展性,这是不常见的,因为通常坚固的材料往往很脆,”与传统的金属铸造相比,“我们的强度几乎提高了三倍以上,而且不仅没有失去延展性,实际上还提高了延展性,”他说。“对于许多应用来说,强度和延展性的结合是关键。我们的发现对于材料科学和工程来说,都是令人震惊和兴奋的。”

学生和论文的第一作者,陈杰博士:“未来,拥有能够生产强韧和延展性HEA的能力,意味着这些3D打印材料,在抵抗应用变形方面更加稳健,这对于提高机械效率和节能的轻质结构设计非常重要。”

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△该研究已发表在《自然》杂志上,题目为《增材制造的强韧纳米片状高熵合金》(点我传送门)

佐治亚理工学院的朱的团队领导了这项研究的计算建模。他开发了双相晶体塑性计算模型,以了解FCC和BCC纳米薄片所起的机械作用,以及它们如何协同工作以增加材料的强度和延展性。

朱说:“我们的模拟结果显示了,BCC纳米薄片中令人惊讶的高强度和高硬化响应,这对于我们的合金可以实现出色的强度,以及延展性至关重要。这种具有卓越机械性能的3D打印,为HEA的未来发展提供了重要基础。”

此外,3D 打印技术还是一种强大的生产工具,它可以用于制作几何复杂和定制的零件。未来,利用该技术特有优势和HEA的巨大合金设计空间,为直接生产用于生物医学和航空航天应用的最终用途组件,提供了充足的机会。


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