La prima lega nanostrutturata ad alte prestazioni stampata in 3D combina ultra-resistenza e duttilità

Un team di scienziati ha stampato in 3D una lega nanostrutturata ad alta entropia a doppia fase che supera altri materiali di produzione additiva all'avanguardia in termini di resistenza e duttilità. Questa svolta potrebbe portare a componenti con prestazioni più elevate per applicazioni nei settori aerospaziale, medico, energetico e dei trasporti. Il lavoro è stato svolto da ricercatori dell'Università del Massachusetts Amherst e della Georgia Tech. Guidato da Wen Chen, professore associato di ingegneria meccanica e industriale presso UMass Amherst, e Ting Zhu, professore di ingegneria meccanica presso Georgia Tech, è stato pubblicato il 3 agosto sulla rivista Nature.

Negli ultimi 15 anni, le leghe ad alta entropia (HEA) sono diventate popolari come un nuovo paradigma nella scienza dei materiali. Sono composti da cinque o più elementi in proporzioni quasi uguali, dando ai design in lega la capacità di creare combinazioni uniche quasi illimitate. Le leghe tradizionali, come ottone, acciaio inossidabile, acciaio al carbonio e bronzo, contengono una combinazione di un elemento principale e uno o più oligoelementi.

La stampa 3D, nota anche come produzione additiva, è recentemente emersa come un potente metodo di sviluppo dei materiali. La stampa 3D basata su laser può generare grandi gradienti di temperatura e velocità di raffreddamento elevate, che non possono essere raggiunte con gli approcci convenzionali. Tuttavia, "il potenziale di sfruttare i vantaggi combinati della produzione additiva e dell'HEA per ottenere nuove proprietà è in gran parte non sfruttato", ha affermato Zhu.

Wen Chen e il suo team nel laboratorio di produzione e materiali multiscala di UMass hanno combinato HEA con la tecnologia di stampa 3D all'avanguardia, la fusione laser a letto di polvere, per sviluppare nuovi materiali con proprietà senza precedenti. Poiché il processo fonde e solidifica il materiale molto rapidamente rispetto ai tradizionali processi metallurgici, "si ottiene una microstruttura molto diversa che è lontana dall'equilibrio", ha detto Chen. Questa struttura microscopica sembra una rete, costituita da strati alternati di strutture nanostellari note come cubiche centrate sulla faccia (FCC) e cubiche centrate sul corpo (BCC), incorporate in cristalli eutettici microscopici con gruppi di orientamenti casuali. L'HEA gerarchico nanostrutturato consente la deformazione cooperativa delle due fasi.

Chen Wen ha dichiarato: "Il riarrangiamento atomico di questa insolita microstruttura produce un'altissima resistenza e una maggiore duttilità, il che è raro perché i materiali generalmente resistenti tendono ad essere fragili. Questo è in contrasto con la tradizionale fusione di metalli. rapporto, otteniamo quasi tre volte la forza, non solo senza perdere la duttilità, ma in realtà aumentando la duttilità allo stesso tempo. Per molte applicazioni, la combinazione di resistenza e duttilità è fondamentale. I nostri risultati hanno implicazioni sia per la scienza dei materiali che per l'ingegneria. È originale ed entusiasmante".

"La capacità di produrre HEA con elevata resistenza e duttilità significa che questi materiali di stampa 3D sono più forti nel resistere alla deformazione applicata, che è importante per la progettazione di strutture leggere con una migliore efficienza meccanica e risparmio energetico", ha affermato Jie Ren, il primo autore del documento .

Il gruppo di Ting Zhu alla Georgia Tech ha guidato la modellazione computazionale per lo studio. Hanno sviluppato un modello computazionale della plasticità dei cristalli a due fasi per comprendere il ruolo meccanico svolto dalle nanoparticelle FCC e BCC e come lavorano insieme per conferire al materiale maggiore resistenza e duttilità.

"I nostri risultati di simulazione mostrano la sorprendente resistenza e risposta di indurimento delle nanoparticelle BCC, che sono fondamentali per ottenere l'eccellente sinergia di resistenza e duttilità nelle nostre leghe". Zhu Ting ha affermato: "Questa comprensione meccanicistica può guidare il futuro. Lo sviluppo di HEA stampati in 3D con proprietà meccaniche speciali fornisce una base importante".

Inoltre, la stampa 3D fornisce un potente strumento per la produzione di parti geometricamente complesse e personalizzate. In futuro, sfruttare la tecnologia di stampa 3D e l'enorme spazio di progettazione delle leghe di HEA offre numerose opportunità per la produzione diretta di parti terminali per applicazioni biomediche e aerospaziali.