Hợp kim có cấu trúc nano hiệu suất cao được in 3D đầu tiên kết hợp độ bền và độ dẻo cực cao

Một nhóm các nhà khoa học đã in 3D một hợp kim entropy cao có cấu trúc nano pha kép vượt trội hơn các vật liệu sản xuất phụ gia hiện đại khác về độ bền và độ dẻo. Bước đột phá này có thể dẫn đến các thành phần hiệu suất cao hơn cho các ứng dụng trong hàng không vũ trụ, y học, năng lượng và giao thông vận tải. Công trình được thực hiện bởi các nhà nghiên cứu tại Đại học Massachusetts Amherst và Georgia Tech. Được dẫn dắt bởi Wen Chen, phó giáo sư kỹ thuật cơ khí và công nghiệp tại UMass Amherst, và Ting Zhu, giáo sư kỹ thuật cơ khí tại Georgia Tech, nó đã được xuất bản vào ngày 3 tháng 8 trên tạp chí Nature.

Trong 15 năm qua, hợp kim entropy cao (HEA) đã trở nên phổ biến như một mô hình mới trong khoa học vật liệu. Chúng bao gồm năm nguyên tố trở lên với tỷ lệ gần bằng nhau, mang lại cho các thiết kế hợp kim khả năng tạo ra sự kết hợp độc đáo gần như vô hạn. Các hợp kim truyền thống, chẳng hạn như đồng thau, thép không gỉ, thép cacbon và đồng, chứa sự kết hợp của một nguyên tố chính và một hoặc nhiều nguyên tố vi lượng.

In 3D, còn được gọi là sản xuất phụ gia, gần đây đã nổi lên như một phương pháp phát triển vật liệu mạnh mẽ. In 3D dựa trên laser có thể tạo ra độ dốc nhiệt độ lớn và tốc độ làm mát cao, điều mà các phương pháp thông thường không thể đạt được. Tuy nhiên, "tiềm năng tận dụng lợi thế kết hợp của sản xuất phụ gia và HEA để đạt được các đặc tính mới phần lớn chưa được khai thác", Zhu nói.

Wen Chen và nhóm của ông trong Phòng thí nghiệm Sản xuất và Vật liệu Đa cấp UMass đã kết hợp HEA với công nghệ in 3D hiện đại, phản ứng tổng hợp bột laser, để phát triển các vật liệu mới với các đặc tính chưa từng có. Vì quá trình làm tan chảy và đông đặc vật liệu rất nhanh so với các quá trình luyện kim truyền thống, "bạn sẽ có được một cấu trúc vi mô rất khác xa so với trạng thái cân bằng", Chen nói. Cấu trúc vi mô này trông giống như một mạng lưới, bao gồm các lớp xen kẽ của cấu trúc sao nano được gọi là lập phương tâm mặt (FCC) và lập phương tâm thân (BCC), được nhúng trong các tinh thể eutectic cực nhỏ với nhóm định hướng ngẫu nhiên. HEA có cấu trúc nano phân cấp cho phép biến dạng hợp tác của hai giai đoạn.

Chen Wen cho biết: "Sự sắp xếp lại nguyên tử của cấu trúc vi mô bất thường này tạo ra độ bền cực cao cũng như độ dẻo tăng cường, điều này không phổ biến vì vật liệu mạnh thường có xu hướng giòn. Điều này trái ngược với đúc kim loại truyền thống. Tỷ lệ, chúng tôi nhận được gần như ba gấp lần độ bền, không những không làm mất độ dẻo mà còn tăng độ dẻo đồng thời. Đối với nhiều ứng dụng, sự kết hợp giữa độ bền và độ dẻo là chìa khóa. Phát hiện của chúng tôi có ý nghĩa đối với cả khoa học vật liệu và kỹ thuật. Nó rất độc đáo và thú vị. "

Jie Ren, tác giả đầu tiên của bài báo cho biết: “Khả năng tạo ra HEA với độ bền và độ dẻo cao có nghĩa là các vật liệu in 3D này mạnh hơn trong việc chống lại biến dạng ứng dụng, điều này rất quan trọng đối với việc thiết kế các cấu trúc nhẹ với hiệu quả cơ học được cải thiện và tiết kiệm năng lượng”. .

Nhóm của Ting Zhu tại Georgia Tech đã dẫn đầu mô hình tính toán cho nghiên cứu. Họ đã phát triển một mô hình tính toán về độ dẻo của các tinh thể hai pha để hiểu vai trò cơ học của các hạt nano FCC và BCC và cách chúng hoạt động cùng nhau để làm tăng độ bền và độ dẻo của vật liệu.

"Kết quả mô phỏng của chúng tôi cho thấy sức mạnh đáng ngạc nhiên và phản ứng cứng của các hạt nano BCC, đây là chìa khóa để đạt được sức mạnh tổng hợp tuyệt vời và độ dẻo trong hợp kim của chúng tôi." Zhu Ting cho biết, "Sự hiểu biết về cơ học này có thể định hướng cho tương lai Sự phát triển của các HEA in 3D với các đặc tính cơ học đặc biệt cung cấp một nền tảng quan trọng."

Hơn nữa, in 3D cung cấp một công cụ mạnh mẽ để sản xuất các bộ phận tùy chỉnh và phức tạp về mặt hình học. Trong tương lai, việc tận dụng công nghệ in 3D và không gian thiết kế hợp kim khổng lồ của HEA mang đến nhiều cơ hội để sản xuất trực tiếp các bộ phận cuối cho các ứng dụng y sinh và hàng không vũ trụ.