Forskergruppen har lavet en fejlbestandig superlegering, der kan 3-D-printes

I de seneste år, det er blevet muligt at bruge laserstråler og elektronstråler til at "printe" tekniske objekter med komplekse former, som ikke kunne opnås ved konventionel fremstilling. Den additive fremstillingsproces (AM), eller 3D-print, for metalliske materialer involverer smeltning og sammensmeltning af finskala pulverpartikler - hver omkring 10 gange finere end et korn strandsand - i sub-millimeterskala "puljer" skabt ved at fokusere en laser- eller elektronstråle på materialet.

"De højt fokuserede stråler giver udsøgt kontrol, muliggør 'tuning' af egenskaber på kritiske placeringer af det udskrevne objekt, " sagde Tresa Pollock, professor i materialer og associeret dekan ved College of Engineering ved UC Santa Barbara. "Desværre, mange avancerede metallegeringer, der bruges i ekstremt varmeintensive og kemisk ætsende miljøer, som man støder på i energi, rum- og nukleare applikationer er ikke kompatible med AM-processen."

Udfordringen med at opdage nye AM-kompatible materialer var uimodståelig for Pollock, en verdenskendt videnskabsmand, der forsker i avancerede metalliske materialer og belægninger. "Dette var interessant, " hun sagde, "fordi en række meget kompatible legeringer kunne transformere produktionen af ​​metalliske materialer med høj økonomisk værdi - dvs materialer, der er dyre, fordi deres bestanddele er relativt sjældne i jordskorpen - ved at muliggøre fremstilling af geometrisk komplekse designs med minimalt materialespild.

"De fleste meget højstyrke legeringer, der fungerer i ekstreme miljøer, kan ikke udskrives, fordi de knækker, " fortsatte Pollock, ALCOA Distinguished Professor of Materials. "De kan revne i deres flydende tilstand, når et objekt stadig udskrives, eller i fast tilstand, efter at materialet er taget ud og givet nogle termiske behandlinger. Dette har forhindret folk i at anvende legeringer, som vi i øjeblikket bruger i applikationer såsom flymotorer til at printe nye designs, der kunne, for eksempel, øge ydeevnen eller energieffektiviteten drastisk."

Nu, i en artikel i tidsskriftet Naturkommunikation , Pollock, i samarbejde med Carpenter Technologies, Oak Ridge National Laboratory, UCSB stab videnskabsmænd Chris Torbet og Gareth Seward, og UCSB Ph.D. studerende Sean Murray, Kira Pusch, og Andrew Polonsky, beskriver en ny klasse af superlegeringer, der overvinder dette revneproblem og, derfor, har et enormt løfte om at fremme brugen af ​​AM til at producere komplekse engangskomponenter til brug ved høj stress, højtydende miljøer.

Forskningen blev støttet af et $3 millioner Vannevar Bush Faculty Fellowship (VBFF), som Pollock blev tildelt fra det amerikanske forsvarsministerium i 2017. VBFF er forsvarsministeriets mest prestigefyldte pris for en enkelt efterforsker, støtte grundforskning, der kan have en transformativ effekt.

I avisen, forfatterne beskriver en ny klasse af højstyrke, fejlbestandig, 3-D-printbare superlegeringer, defineret som typisk nikkelbaserede legeringer, der bevarer deres materialeintegritet ved temperaturer op til 90 % af deres smeltepunkt. De fleste legeringer falder fra hinanden ved 50 % af deres smeltetemperatur. Disse nye superlegeringer indeholder omtrent lige dele kobolt (Co) og nikkel (Ni), plus mindre mængder af andre elementer. Disse materialer er modtagelige for revnefri 3D-print via elektronstrålesmeltning (EBM) såvel som de mere udfordrende laser-pulver-bed-tilgange, hvilket gør dem bredt anvendelige til den overflod af trykkemaskiner, der kommer ind på markedet.

På grund af deres fremragende mekaniske egenskaber ved høje temperaturer, nikkel-baserede superlegeringer er det foretrukne materiale til strukturelle komponenter såsom single-crystal (SX) turbineblade og skovle, der anvendes i de varme sektioner af flymotorer. I en variant af en superlegering, som holdet udviklede, Pollock sagde, "Den høje procentdel af kobolt gjorde det muligt for os at designe funktioner i den flydende og faste tilstand af legeringen, der gør den kompatibel med en bred vifte af trykforhold."

Udviklingen af ​​den nye legering blev lettet af tidligere arbejde udført som en del af NSF-finansierede projekter på linje med det nationale Materials Genome Initiative, som har det underliggende mål at støtte forskning for at løse store udfordringer, som samfundet står over for, ved at udvikle avancerede materialer "dobbelt så hurtigt til halvdelen af ​​prisen."

Pollocks NSF-arbejde på dette område blev udført i samarbejde med andre UCSB-materialeprofessorer Carlos G. Levi og Anton Van der Ven. Deres indsats involverede udvikling og integration af en række beregnings- og high-throughput legeringsdesignværktøjer, der er nødvendige for at udforske den store flerkomponentsammensætningsplads, der kræves for at opdage nye legeringer. Under drøftelsen af ​​det nye papir, Pollock anerkendte også den vigtige rolle for det kollaborative forskningsmiljø i College of Engineering, der gjorde dette arbejde muligt.