Una nueva clase de aleaciones impresas en 3D proporciona más flexibilidad para piezas metálicas de alta resistencia

Investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore, el Laboratorio Nacional Oak Ridge y varias universidades utilizaron un método de impresión de metal 3D basado en láser para producir una nueva clase de aleaciones de alta entropía que demostraron un alto límite elástico y una alta ductilidad más allá del otro caso. Aleaciones metálicas impresas en 3D. El equipo también construyó estructuras de celosía y otros componentes de ingeniería a partir de los materiales, lo que demostró la viabilidad de la tecnología. Imagen cortesía de UMass Amherst.

La impresión 3D de metales se utiliza para producir componentes para muchas aplicaciones comerciales, particularmente en el sector del transporte, donde los métodos de impresión como la fusión de capas de polvo por láser (L-PBF) pueden producir componentes ultrarresistentes, livianos y de formas complejas que no se pueden fabricar. por métodos convencionales. tecnicas

Pero mientras que los métodos basados ​​en láser permiten la fabricación de materiales que pueden lograr una alta resistencia, estos materiales a menudo sufren de fragilidad (rotura en lugar de deformación plástica) lo que limita su uso en aplicaciones estructurales donde la alta resistencia es fundamental.

Las clases más nuevas de aleaciones metálicas, aleaciones de alta entropía (HEA) o aleaciones multielementales (MPEA), permiten a los científicos de materiales investigar un área más grande de composiciones para desarrollar aún más la próxima generación de aleaciones. El trabajo permitió a los científicos fabricar materiales que constaban de dos fases principales diferentes: una que daba resistencia a los materiales y la otra ductilidad. Según los investigadores, la distribución precisa y homogénea de estas diferentes fases es clave para aumentar la resistencia y limitar la pérdida de ductilidad.

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Buscando lo mejor de ambos mundos, un mundo de materiales en Laboratorio Nacional Lawrence Livermore, junto con investigadores de varias universidades y del Laboratorio Nacional de Oak Ridge (ORNL), utilizaron el método L-PBF para producir una clase de HEA eutécticos (EHEA) que demostraron un alto límite elástico y una alta ductilidad, más allá del otro caso. Aleaciones metálicas impresas en 3D. El equipo también construyó estructuras de celosía y otros componentes de ingeniería a partir de los materiales, lo que demostró la viabilidad de la tecnología. El trabajo en línea aparece en la revista. templar la naturaleza.

Los investigadores dijeron que los conocimientos adquiridos al mejorar el comportamiento de los HEA eutécticos podrían tener amplias implicaciones para el desarrollo de aditivos nanoestructurados (AM) jerárquicos con propiedades mecánicas excepcionales, como las aleaciones de aluminio y titanio.

«Combinamos HEA y AM para producir un material que no solo muestra las fases correctas, sino que también tiene una microestructura precisa y homogénea, a diferencia de todo lo que se puede lograr con los procesos de fabricación convencionales», dijo el coautor y científico del LLNL, Thomas Voisin. «Pudimos obtener un material más fuerte que todavía ofrece una ductilidad aceptable en comparación con el mismo material procesado con técnicas convencionales. Pudimos explicar los mecanismos asociados con esta mejora al combinar los últimos experimentos y simulaciones, lo que abre la puerta a más mejoras. Lo que mostramos en este documento es que la fabricación aditiva debe verse como algo más que una simple herramienta de fabricación».

Vojsen, junto con coautores de la Universidad de Massachusetts, Amherst y varias otras universidades, dijo que esta técnica les permite mantener el estado de desequilibrio del material derritiéndolo localmente y enfriándolo muy rápidamente, a diferencia de lo que se puede lograr con cualquier otro material. . Técnica.

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Wen Chen, ex investigador postdoctoral de LLNL y actual profesor asistente en la Universidad de Massachusetts Amherst, diseñó y dirigió el estudio.

«La reorganización atómica de esta microestructura inusual conduce a una mayor resistencia y ductilidad, lo cual es poco común porque los materiales fuertes suelen ser frágiles», dijo Chen. «Tenemos casi el triple de resistencia (a diferencia de los metales convencionales) y no solo perdemos ductilidad, sino que la aumentamos al mismo tiempo. Para muchas aplicaciones, la combinación de resistencia y flexibilidad es clave. Nuestros hallazgos son originales y emocionantes para la ciencia e ingeniería de materiales. igual.» .

Usando una impresora LBPF disponible comercialmente, el equipo imprimió una variedad de componentes, incluido un ventilador disipador de calor, una pequeña rejilla de ocho engranajes y un piñón, y probó las piezas mecánicamente, químicamente y mediante pruebas de tracción por difracción de neutrones realizadas en ORNL. Los científicos del LLNL han realizado microscopía electrónica de transmisión para ayudar a comprender los mecanismos subyacentes involucrados en la mejora de las propiedades mecánicas y la estabilidad térmica del material.

«Al variar la temperatura local y las tasas de enfriamiento durante la fabricación aditiva (AM), podemos cambiar las propiedades de los materiales», dijo Vouissen. «Desde el punto de vista de la ciencia de los materiales, aquí es donde radica la revolución en la fabricación aditiva. El hecho de que la FA también pueda fabricar componentes complejos para la forma casi reticular es la guinda del pastel».

Según el equipo, el material tratado logró un alto límite elástico de alrededor de 1,3 GPa y una ductilidad a la tracción significativa (alargamiento regular de alrededor del 14 por ciento), como resultado de sus nanoestructuras de dos fases alternas.

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El autor principal Ji Ren, Ph.D. Un estudiante de ingeniería mecánica e industrial de UMass Amherst dijo que los hallazgos podrían influir en futuras aplicaciones de aleaciones metálicas impresas en 3D en el sector comercial.

“La capacidad de producir HEA fuertes y flexibles significa que los materiales son más robustos para resistir la deformación aplicada, lo cual es importante para el diseño estructural liviano para mejorar la eficiencia mecánica y el ahorro de energía”, dijo Wren.

Los coautores incluyen al ex científico de materiales LLNL Maurice Wang, ahora profesor en UCLA, e investigadores del Instituto de Tecnología de Georgia, la Universidad Texas A&M y la Universidad Rice.

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