Lega ultraresistente e duttile stampata in 3D sviluppata da UMass Amherst e Georgia Tech
I vantaggi del nuovo sviluppo potrebbero portare a componenti con prestazioni più elevate per applicazioni nei settori aerospaziale, medico, energetico e dei trasporti.
Wen Chen, assistente professore di ingegneria meccanica e industriale presso UMass Amherst
Un team di ricercatori dell’Università del Massachusetts Amherst (UMass) e della Georgia Tech hanno stampato in 3D una lega a doppia fase, nanostrutturata e ad alta entropia che, secondo loro, supera la forza e la duttilità di altri materiali all’avanguardia fabbricati additivamente.
La ricerca, guidata da Wen Chen, assistente professore di ingegneria meccanica e industriale presso UMass, e Ting Zhu, professore di ingegneria meccanica presso Georgia Tech, è stata pubblicata nel numero di agosto della rivista Nature.
Le leghe ad alta entropia (HEA) sono diventate sempre più popolari come nuovo paradigma nella scienza dei materiali negli ultimi 15 anni. Sono composti da cinque o più elementi in proporzioni quasi uguali e offrono la possibilità di creare un numero quasi infinito di combinazioni uniche per il design delle leghe.
Zhu ha affermato: “Il potenziale per sfruttare i vantaggi combinati della produzione additiva e degli HEA per ottenere nuove proprietà rimane in gran parte inesplorato”.
Chen e il suo team nel Laboratorio di produzione e materiali multiscala hanno combinato un HEA con la fusione laser a letto di polvere per sviluppare nuovi materiali con proprietà senza precedenti.
“Ottieni una microstruttura molto diversa che è lontana dall’equilibrio”, sui componenti creati, ha detto Chen. Ciò è dovuto al processo che fa fondere e solidificare i materiali molto rapidamente rispetto alla metallurgia tradizionale.
Messa Amherst
UMass Amherst Ph.D. la studentessa Jie Ren tiene in mano una ventola del dissipatore di calore in miniatura, uno dei componenti in lega ad alta entropia stampati in 3D realizzati nel laboratorio di Wen Chen.
La microstruttura sembra una rete ed è composta da strati alternati noti come strutture nanolamellari cubiche centrate sulla faccia (FCC) e cubiche centrate sul corpo (BCC) incorporate in colonie eutettiche su microscala con orientamenti casuali. L’HEA gerarchico nanostrutturato consente la deformazione cooperativa delle due fasi.
“Il riarrangiamento atomico di questa insolita microstruttura dà luogo a una resistenza ultraelevata e a una maggiore duttilità, il che è raro, perché di solito i materiali forti tendono ad essere fragili”, ha detto Chen.
Rispetto alla fusione di metallo convenzionale, Chen afferma che è stata raggiunta quasi il triplo della resistenza e che il materiale non solo non ha perso duttilità, ma l’ha effettivamente aumentata contemporaneamente.
“La capacità di produrre HEA forti e duttili significa che questi materiali stampati in 3D sono più robusti nel resistere alla deformazione applicata, che è importante per la progettazione strutturale leggera per una maggiore efficienza meccanica e risparmio energetico”, ha affermato Jie Ren, Ph.D di Chen. studente e primo autore del paper.
Il team ha sviluppato modelli computazionali di plasticità cristallina a doppia fase. Questo li ha aiutati a capire i ruoli meccanicistici svolti dalle nano-lamelle FCC e BCC e come lavorano insieme per conferire al materiale maggiore resistenza e duttilità.
Zhu ha affermato: “Questa comprensione meccanicistica fornisce una base importante per guidare il futuro sviluppo di HEA stampati in 3D con proprietà meccaniche eccezionali”.
Ulteriori partner di ricerca sull’articolo includono la Texas A&M University , l’ Università della California a Los Angeles , la Rice University e i laboratori nazionali Oak Ridge e Lawrence Livermore .
