Paduan Nanostructured Performa Tinggi Cetak 3D Pertama Menggabungkan Kekuatan Ultra Dan Keuletan

Sebuah tim ilmuwan telah mencetak 3D paduan entropi tinggi berstruktur nano fase ganda yang melampaui bahan manufaktur aditif canggih lainnya dalam kekuatan dan keuletan. Terobosan ini dapat menghasilkan komponen kinerja yang lebih tinggi untuk aplikasi di bidang kedirgantaraan, kedokteran, energi, dan transportasi. Pekerjaan itu dilakukan oleh para peneliti di University of Massachusetts Amherst dan Georgia Tech. Dipimpin oleh Wen Chen, profesor teknik mesin dan industri di UMass Amherst, dan Ting Zhu, profesor teknik mesin di Georgia Tech, itu diterbitkan 3 Agustus di jurnal Nature.

Selama 15 tahun terakhir, paduan entropi tinggi (HEA) telah semakin populer sebagai paradigma baru dalam ilmu material. Mereka terdiri dari lima atau lebih elemen dalam proporsi yang hampir sama, memberikan desain paduan kemampuan untuk membuat kombinasi unik yang hampir tak terbatas. Paduan tradisional, seperti kuningan, baja tahan karat, baja karbon dan perunggu, mengandung kombinasi satu elemen utama dan satu atau lebih elemen jejak.

Pencetakan 3D, juga dikenal sebagai manufaktur aditif, baru-baru ini muncul sebagai metode pengembangan material yang kuat. Pencetakan 3D berbasis laser dapat menghasilkan gradien suhu yang besar dan laju pendinginan yang tinggi, yang tidak dapat dicapai dengan pendekatan konvensional. Namun, "potensi memanfaatkan keuntungan gabungan dari manufaktur aditif dan HEA untuk mencapai properti baru sebagian besar belum dimanfaatkan," kata Zhu.

Wen Chen dan timnya di UMass Multiscale Materials and Manufacturing Laboratory menggabungkan HEA dengan teknologi pencetakan 3D tercanggih, laser powder bed fusion, untuk mengembangkan material baru dengan sifat yang belum pernah ada sebelumnya. Karena proses melelehkan dan memadatkan material sangat cepat dibandingkan dengan proses metalurgi tradisional, "Anda mendapatkan struktur mikro yang sangat berbeda yang jauh dari keseimbangan," kata Chen. Struktur mikroskopis ini tampak seperti jaring, terdiri dari lapisan bolak-balik struktur nanostar yang dikenal sebagai kubus berpusat muka (FCC) dan kubus berpusat badan (BCC), tertanam dalam kristal eutektik mikroskopis dengan kelompok orientasi acak. HEA berstrukturnano hierarki memungkinkan deformasi kooperatif dari dua fase.

Chen Wen berkata: "Penataan ulang atom dari struktur mikro yang tidak biasa ini menghasilkan kekuatan ultra-tinggi serta keuletan yang ditingkatkan, yang jarang terjadi karena umumnya bahan yang kuat cenderung rapuh. Ini berbeda dengan pengecoran logam tradisional. Rasio, kita mendapatkan hampir tiga kali kekuatan, tidak hanya tanpa kehilangan keuletan, tetapi sebenarnya meningkatkan keuletan pada saat yang sama. Untuk banyak aplikasi, kombinasi kekuatan dan keuletan adalah kuncinya. Temuan kami memiliki implikasi untuk ilmu material dan teknik. Ini orisinal dan menarik."

"Kemampuan untuk menghasilkan HEA dengan kekuatan dan keuletan tinggi berarti bahwa bahan cetak 3D ini lebih kuat dalam menahan deformasi yang diterapkan, yang penting untuk desain struktur ringan dengan peningkatan efisiensi mekanis dan penghematan energi," kata Jie Ren, penulis pertama makalah tersebut. .

Kelompok Ting Zhu di Georgia Tech memimpin pemodelan komputasi untuk penelitian ini. Mereka mengembangkan model komputasi plastisitas kristal dua fase untuk memahami peran mekanis yang dimainkan oleh nanopartikel FCC dan BCC dan bagaimana mereka bekerja bersama untuk meningkatkan kekuatan dan keuletan material.

"Hasil simulasi kami menunjukkan respons kekuatan dan pengerasan yang mengejutkan dari nanopartikel BCC, yang merupakan kunci untuk mencapai sinergi kekuatan dan keuletan yang sangat baik dalam paduan kami." Zhu Ting berkata, "Pemahaman mekanistik ini dapat memandu masa depan Pengembangan HEA cetak 3D dengan sifat mekanik khusus memberikan landasan penting."

Selain itu, pencetakan 3D menyediakan alat yang ampuh untuk memproduksi suku cadang yang rumit secara geometris dan khusus. Di masa depan, memanfaatkan teknologi pencetakan 3D dan ruang desain paduan besar HEA menawarkan banyak peluang untuk produksi langsung suku cadang akhir untuk aplikasi biomedis dan dirgantara.