סגסוגת ננו-מובנית ראשונה מודפסת בתלת-ממד בעלת ביצועים גבוהים משלבת חוזק וגמישות במיוחד

צוות של מדענים הדפיס בתלת-ממד סגסוגת בעלת מבנה ננו-מבני דו-פאזי העולה על חומרי ייצור תוספים מתקדמים אחרים בחוזק ובמשיכות. פריצת דרך זו עשויה להוביל לרכיבים בעלי ביצועים גבוהים יותר עבור יישומים בתעופה וחלל, רפואה, אנרגיה ותחבורה. העבודה נעשתה על ידי חוקרים מאוניברסיטת מסצ'וסטס אמהרסט וג'ורג'יה טק. בראשות ון צ'ן, פרופסור חבר להנדסת מכונות ותעשיה ב-UMass Amherst, ו-טינג ז'ו, פרופסור להנדסת מכונות בג'ורג'יה טק, הוא פורסם ב-3 באוגוסט בכתב העת Nature.

במהלך 15 השנים האחרונות, סגסוגות גבוהות אנטרופיה (HEA) גדלו בפופולריות כפרדיגמה חדשה במדעי החומרים. הם מורכבים מחמישה אלמנטים או יותר בפרופורציות כמעט שוות, מה שמעניק לעיצובי סגסוגת את היכולת ליצור שילובים ייחודיים כמעט בלתי מוגבלים. סגסוגות מסורתיות, כגון פליז, נירוסטה, פלדת פחמן וברונזה, מכילות שילוב של יסוד עיקרי אחד ואלמנט קורט אחד או יותר.

הדפסת תלת מימד, הידועה גם בשם ייצור תוסף, התגלתה לאחרונה כשיטת פיתוח חומרים רבת עוצמה. הדפסה תלת מימדית מבוססת לייזר יכולה ליצור שיפועי טמפרטורה גדולים וקצבי קירור גבוהים, שלא ניתן להשיג בגישות קונבנציונליות. עם זאת, "הפוטנציאל של מינוף היתרונות המשולבים של ייצור תוספים ושל HEA להשגת מאפיינים חדשים אינו מנוצל ברובו", אמר ג'ו.

Wen Chen והצוות שלו במעבדת UMass Multiscale Materials and Manufacturing שילבו את HEA עם טכנולוגיית ההדפסה התלת-ממדית המתקדמת, היתוך לייזר אבקת לייזר, כדי לפתח חומרים חדשים בעלי תכונות חסרות תקדים. מכיוון שהתהליך נמס וממצק את החומר מהר מאוד בהשוואה לתהליכים מתכתיים מסורתיים, "מקבלים מבנה מיקרו שונה מאוד שרחוק משיווי משקל", אמר צ'ן. מבנה מיקרוסקופי זה נראה כמו רשת, המורכבת משכבות מתחלפות של מבנים ננו-כוכבים הידועים כ-face-centered cubic (FCC) ו-body-centered cubic (BCC), המוטבעים בגבישים אוקטיים מיקרוסקופיים עם קבוצת כיוונים אקראית. ה-HEA בעל הננו-מבנה ההיררכי מאפשר דפורמציה משותפת של שני השלבים.

צ'ן וון אמר: "הסידור האטומי מחדש של המיקרו-מבנה הבלתי רגיל הזה מייצר חוזק גבוה במיוחד כמו גם משיכות משופרת, דבר שאינו שכיח מכיוון שבדרך כלל חומרים חזקים נוטים להיות שבירים. זה בניגוד ליציקת מתכת מסורתית. יחס, אנחנו מקבלים כמעט שלושה פי כמה מהחוזק, לא רק מבלי לאבד את המשיכות, אלא למעשה להגביר את המשיכות בו זמנית. עבור יישומים רבים, השילוב של חוזק ומשיכות הוא המפתח. לממצאים שלנו יש השלכות הן על מדע החומרים והן על ההנדסה. זה מקורי ומרגש."

"היכולת לייצר HEAs עם חוזק וגמישות גבוהים פירושה שחומרי הדפסת תלת מימד אלו חזקים יותר בהתנגדות לעיוות מיושם, דבר שחשוב לתכנון של מבנים קלים עם יעילות מכנית משופרת וחיסכון באנרגיה", אמר ג'י רן, המחבר הראשון של העיתון. .

הקבוצה של טינג ז'ו ב- Georgia Tech הובילה את המודלים החישוביים למחקר. הם פיתחו מודל חישובי של הפלסטיות של הגבישים הדו-פאזיים כדי להבין את התפקיד המכני שממלאים חלקיקי ה-FCC וה-BCC וכיצד הם פועלים יחד כדי להעניק לחומר חוזק וגמישות מוגברים.

"תוצאות הסימולציה שלנו מראות את החוזק ותגובת ההתקשות המפתיעה של ננו-חלקיקי BCC, שהם המפתח להשגת הסינרגיה המצוינת של חוזק וגמישות בסגסוגות שלנו." Zhu Ting אמר, "הבנה מכניסטית זו יכולה להנחות את העתיד. הפיתוח של HEAs מודפסים בתלת מימד עם תכונות מכניות מיוחדות מספק בסיס חשוב."

יתר על כן, הדפסת תלת מימד מספקת כלי רב עוצמה לייצור חלקים מורכבים מבחינה גיאומטרית ומותאמים אישית. בעתיד, מינוף טכנולוגיית הדפסת תלת מימד ומרחב עיצוב הסגסוגות העצום של HEA מציע הזדמנויות רבות לייצור ישיר של חלקי קצה ליישומים ביו-רפואיים ותעופה וחלל.