超強度と延性を兼ね備えた初の 3D プリント高性能ナノ構造合金

科学者チームは、強度と延性において他の最先端の積層造形材料を凌駕する二相ナノ構造の高エントロピー合金を 3D プリントしました。 このブレークスルーは、航空宇宙、医療、エネルギー、輸送におけるアプリケーション向けのより高性能なコンポーネントにつながる可能性があります。 この作業は、マサチューセッツ大学アマースト校とジョージア工科大学の研究者によって行われました。 UMass Amherst の機械工学および産業工学の准教授である Wen Chen と、Georgia Tech の機械工学の教授である Ting Zhu が率いるこの論文は、8 月 3 日に Nature 誌に掲載されました。

過去 15 年間、高エントロピー合金 (HEA) は、材料科学の新しいパラダイムとして人気を博してきました。 それらはほぼ等しい比率で5つ以上の元素で構成されており、合金設計にほぼ無限のユニークな組み合わせを作成する能力を与えています. 真鍮、ステンレス鋼、炭素鋼、青銅などの従来の合金には、1 つの主要元素と 1 つ以上の微量元素の組み合わせが含まれています。

アディティブ マニュファクチャリングとしても知られる 3D プリンティングは、最近、強力な材料開発方法として登場しました。 レーザーベースの 3D プリンティングは、従来のアプローチでは達成できない大きな温度勾配と高い冷却速度を生成できます。 しかし、「積層造形と HEA を組み合わせた利点を活用して新しい特性を実現する可能性は、ほとんど開発されていません」と Zhu 氏は述べています。

UMass Multiscale Materials and Manufacturing Laboratory の Wen Chen 氏と彼のチームは、HEA を最先端の 3D 印刷技術であるレーザー パウダー ベッド フュージョンと組み合わせて、前例のない特性を持つ新しい材料を開発しました。 このプロセスは、従来の冶金プロセスと比較して材料を非常に迅速に溶融および凝固させるため、「平衡とはかけ離れた非常に異なる微細構造が得られます」と Chen 氏は述べています。 この微視的構造はウェブのように見え、面心立方 (FCC) および体心立方 (BCC) として知られるナノスター構造の交互の層で構成され、ランダムな配向グループを持つ微視的共晶結晶に埋め込まれています。 階層的なナノ構造の HEA により、2 つの相の協調的な変形が可能になります。

Chen Wen 氏は次のように述べています。「この異常な微細構造の原子再配列は、超高強度と強化された延性を生み出します。これは、一般的に強い材料は脆い傾向があるため、珍しいことです。これは、従来の金属鋳造とは対照的です。比率は、ほぼ 3 になります。延性を失うことなく、実際に延性を同時に増加させます.多くの用途では、強度と延性の組み合わせが重要です.私たちの発見は、材料科学と工学の両方に影響を与えます.独創的でエキサイティングです.

「高い強度と延性を備えた HEA を製造できるということは、これらの 3D プリンティング材料が加えられた変形に強いことを意味します。これは、機械効率とエネルギー節約が改善された軽量構造の設計にとって重要です」と論文の筆頭著者である Jie Ren 氏は述べています。 .

ジョージア工科大学の Ting Zhu のグループが、この研究の計算モデリングを主導しました。 彼らは、二相結晶の可塑性の計算モデルを開発し、FCC ナノ粒子と BCC ナノ粒子が果たす機械的役割と、それらがどのように連携して材料の強度と延性を高めているかを理解しました。

「私たちのシミュレーション結果は、BCC ナノ粒子の驚くべき強度と硬化応答を示しています。これは、当社の合金で強度と延性の優れた相乗効果を達成するための鍵です。」 Zhu Ting 氏は、「このメカニズムの理解は将来を導くことができます。特別な機械的特性を備えた 3D プリント HEA の開発は、重要な基盤を提供します。」

さらに、3D プリントは、幾何学的に複雑なカスタム パーツを製造するための強力なツールを提供します。 将来的には、3D プリンティング技術と HEA の巨大な合金設計スペースを活用することで、生物医学および航空宇宙用途の最終部品を直接製造する機会が数多く提供されます。