Home Forschung & Bildung Forscher der UMass Amherst und Georgia Tech 3D-drucken nanostrukturierte Hochleistungslegierung

Forscher der UMass Amherst und Georgia Tech 3D-drucken nanostrukturierte Hochleistungslegierung

Forscher der University of Massachusetts Amherst und des Georgia Institute of Technology haben eine zweiphasige, nanostrukturierte hochentrope Legierung in 3D gedruckt, die die Festigkeit und Duktilität anderer moderner additiv gefertigter Werkstoffe übertrifft, was zu leistungsfähigeren Komponenten für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt, der Medizin, der Energie und dem Transportwesen führen könnte. Die Arbeit, die von Wen Chen, Assistenzprofessor für Maschinenbau und Wirtschaftsingenieurwesen an der UMass, und Ting Zhu, Professor für Maschinenbau an der Georgia Tech, geleitet wurde, ist online in der Zeitschrift Nature veröffentlicht.

In den letzten 15 Jahren haben sich Hochentropie-Legierungen (HEAs) als neues Paradigma in der Materialwissenschaft zunehmend durchgesetzt. Sie bestehen aus fünf oder mehr Elementen in nahezu gleichen Anteilen und bieten die Möglichkeit, eine nahezu unendliche Anzahl einzigartiger Kombinationen für das Legierungsdesign zu schaffen. Herkömmliche Legierungen, wie Messing, Kohlenstoffstahl, Edelstahl und Bronze, enthalten ein Hauptelement in Kombination mit einem oder mehreren Spurenelementen.

„Die additive Fertigung, auch 3D-Druck genannt, hat sich in jüngster Zeit als leistungsstarker Ansatz für die Materialentwicklung erwiesen. Der laserbasierte 3D-Druck kann große Temperaturgradienten und hohe Abkühlungsraten erzeugen, die auf konventionellem Wege nicht ohne weiteres möglich sind. Das Potenzial der kombinierten Vorteile von additiver Fertigung und HEAs zur Erzielung neuartiger Eigenschaften ist jedoch noch weitgehend unerforscht“, sagt Zhu.

Chen und sein Team im Multiscale Materials and Manufacturing Laboratory kombinierten eine HEA mit einer hochmodernen 3D-Drucktechnik, der Laser-Pulverbettfusion, um neue Materialien mit noch nie dagewesenen Eigenschaften zu entwickeln. Da das Verfahren die Materialien im Vergleich zur herkömmlichen Metallurgie sehr schnell zum Schmelzen und Erstarren bringt, „erhält man eine ganz andere Mikrostruktur, die weit vom Gleichgewicht entfernt ist“, sagt Chen. Diese Mikrostruktur sieht wie ein Netz aus und besteht aus abwechselnden Schichten, die als kubisch-flächenzentrierte (FCC) und kubisch-körperzentrierte (BCC) nanolamellare Strukturen bekannt sind und in mikroskalige eutektische Kolonien mit zufälligen Orientierungen eingebettet sind. Die hierarchische nanostrukturierte HEA ermöglicht eine kooperative Verformung der beiden Phasen.

„Die atomare Umordnung dieser ungewöhnlichen Mikrostruktur führt zu ultrahoher Festigkeit und erhöhter Duktilität, was ungewöhnlich ist, denn normalerweise sind starke Materialien eher spröde“, sagt Chen. Im Vergleich zu konventionellem Metallguss „haben wir fast die dreifache Festigkeit erreicht und dabei nicht nur die Duktilität nicht verloren, sondern sie sogar noch erhöht“, sagt er. „Für viele Anwendungen ist eine Kombination aus Festigkeit und Duktilität entscheidend. Unsere Ergebnisse sind sowohl für die Materialwissenschaft als auch für das Ingenieurwesen originell und spannend.“

„Die Fähigkeit, starke und duktile HEAs herzustellen, bedeutet, dass diese 3D-gedruckten Materialien robuster sind, wenn es darum geht, angewandten Verformungen zu widerstehen, was für Leichtbaukonstruktionen wichtig ist, um die mechanische Effizienz zu verbessern und Energie zu sparen“, sagt Jie Ren, Chens Doktorandin und Erstautorin der Arbeit.

Die Gruppe von Zhu an der Georgia Tech leitete die rechnerische Modellierung für die Forschung. Er entwickelte Berechnungsmodelle für die Zweiphasen-Kristallplastizität, um zu verstehen, welche Rolle die FCC- und BCC-Nanolamellen spielen und wie sie zusammenwirken, um dem Material zusätzliche Festigkeit und Verformbarkeit zu verleihen.

„Unsere Simulationsergebnisse zeigen, dass die BCC-Nanolamellen eine überraschend hohe Festigkeit und gleichzeitig eine hohe Verfestigung aufweisen, was entscheidend für die hervorragende Festigkeits-Duktilitäts-Synergie unserer Legierung ist. Dieses mechanistische Verständnis bietet eine wichtige Grundlage für die zukünftige Entwicklung von 3D-gedruckten HEAs mit außergewöhnlichen mechanischen Eigenschaften“, sagt Zhu.

Darüber hinaus bietet der 3D-Druck ein leistungsstarkes Werkzeug zur Herstellung geometrisch komplexer und maßgeschneiderter Teile. Die Nutzung der 3D-Drucktechnologie und des riesigen Legierungsdesigns von HEAs eröffnet in Zukunft zahlreiche Möglichkeiten für die direkte Herstellung von Endverbraucherkomponenten für biomedizinische und Luft- und Raumfahrtanwendungen.

Zu den weiteren Forschungspartnern der Studie gehören die Texas A&M University, die University of California Los Angeles, die Rice University sowie die Oak Ridge und Lawrence Livermore National Laboratories.

Die vollständige Studie finden Sie hier.

Mehr über die University of Massachusetts Amherst finden Sie hier, und mehr über das Georgia Institute of Technology finden Sie hier.

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