최초의 3D 인쇄 고성능 나노 구조 합금은 초강도와 연성을 결합합니다.

과학자 팀은 강도와 연성면에서 다른 최첨단 첨가제 제조 재료를 능가하는 이중 상 나노 구조 고 엔트로피 합금을 3D 인쇄했습니다. 이러한 돌파구는 항공 우주, 의학, 에너지 및 운송 분야의 응용 분야를 위한 고성능 부품으로 이어질 수 있습니다. 이 연구는 매사추세츠 애머스트 대학과 조지아 테크 대학의 연구원들에 의해 수행되었습니다. UMass Amherst의 기계 및 산업 공학 부교수 인 Wen Chen과 Georgia Tech의 기계 공학 교수 인 Ting Zhu가 이끄는 Nature라는 저널에 8 월 3 일에 출판되었습니다.

지난 15 년 동안 고 엔트로피 합금 (HEA)은 재료 과학의 새로운 패러다임으로 인기를 얻었습니다. 그들은 거의 같은 비율로 다섯 개 이상의 원소로 구성되어 합금 설계에 거의 무한한 고유 한 조합을 만들 수있는 능력을 제공합니다. 황동, 스테인레스 스틸, 탄소강 및 청동과 같은 전통적인 합금에는 하나의 주요 요소와 하나 이상의 미량 원소의 조합이 포함되어 있습니다.

적층 제조라고도 하는 3D 프린팅은 최근 강력한 재료 개발 방법으로 부상했습니다. 레이저 기반 3D 프린팅은 큰 온도 구배와 높은 냉각 속도를 생성 할 수 있으며 이는 기존의 접근 방식으로는 달성 할 수 없습니다. 그러나 "적층 제조와 HEA의 결합 된 이점을 활용하여 새로운 특성을 달성 할 수있는 잠재력은 크게 알려지지 않았다"고 Zhu는 말했다.

UMass Multiscale Materials and Manufacturing Laboratory의 Wen Chen과 그의 팀은 HEA와 최첨단 3D 프린팅 기술인 레이저 파우더 베드 퓨전을 결합하여 전례 없는 특성을 가진 새로운 재료를 개발했습니다. 이 공정은 전통적인 야금 공정에 비해 재료를 매우 빠르게 녹이고 응고시키기 때문에 "평형과는 거리가 먼 매우 다른 미세 구조를 얻을 수 있습니다."라고 Chen은 말합니다. 이 현미경 구조는 무작위 배향 그룹을 가진 현미경 공융 결정에 내장 된 얼굴 중심 입방 (FCC) 및 신체 중심 입방 (BCC)으로 알려진 나노 스타 구조의 교대 층으로 구성된 웹처럼 보입니다. 계층적 나노구조화된 HEA는 두 단계의 협동 변형을 가능하게 한다.

첸 웬 (Chen Wen)은 "이 특이한 미세 구조의 원자 재배열은 매우 높은 강도와 향상된 연성을 생성하며, 일반적으로 강한 물질은 부서지기 쉬운 경향이 있기 때문에 드문 경우입니다. 이것은 전통적인 금속 주조와는 대조적입니다. 비율, 우리는 연성을 잃지 않고있을뿐만 아니라 실제로 연성을 동시에 증가시키는 거의 세 배의 강도를 얻습니다. 많은 응용 분야에서 강도와 연성의 조합이 중요합니다. 우리의 발견은 재료 과학과 공학 모두에 영향을 미칩니다 그것은 독창적이고 흥미 롭습니다. "

"고강도와 연성을 가진 HEA를 생산할 수 있다는 것은 이러한 3D 인쇄 재료가 적용된 변형에 저항하는 데 더 강하다는 것을 의미하며, 이는 기계적 효율성과 에너지 절약이 향상된 경량 구조물 설계에 중요합니다."라고 논문의 첫 번째 저자 인 Jie Ren은 말했습니다.

Georgia Tech의 Ting Zhu 그룹은 연구를위한 계산 모델링을 이끌었습니다. 그들은 FCC 및 BCC 나노 입자가 수행하는 기계적 역할과 재료에 증가 된 강도와 연성을 부여하기 위해 함께 작동하는 방법을 이해하기 위해 두 상 결정의 가소성에 대한 계산 모델을 개발했습니다.

"우리의 시뮬레이션 결과는 BCC 나노 입자의 놀라운 강도와 경화 반응을 보여 주며, 이는 합금에서 강도와 연성의 탁월한 시너지 효과를 달성하는 데 중요합니다." Zhu Ting은 "이러한 기계론적 이해는 미래를 안내 할 수 있습니다 특별한 기계적 특성을 가진 3D 인쇄 된 HEA의 개발은 중요한 토대를 제공합니다."

또한 3D 프린팅은 기하학적으로 복잡하고 맞춤 부품을 제조할 수 있는 강력한 도구를 제공합니다. 앞으로 HEA의 3D 프린팅 기술과 거대한 합금 설계 공간을 활용하면 생물 의학 및 항공 우주 응용 분야를위한 최종 부품을 직접 생산할 수있는 수많은 기회가 제공됩니다.