Nanopartikler forbedrer smeltning og størkning til fremstillingsprocesser

På et fremskridt, der kunne føre til forbedret fremstilling, en ny undersøgelse fra UCLA-forskere viser, at tilsætning af nanopartikler til metaller under smeltningsprocessen giver mulighed for bedre kontrol under smeltning.

Smeltning og størkning af metaller er vigtige fremstillingsprocesser, bruges til svejsning og også 3-D udskrivning. For eksempel, lasersvejsning har været brugt til at bygge biler og skibe i årtier. Imidlertid, forskerne foreslår, at forbedringer i smelte-/størkningsprocesser kan have økonomiske fordele som følge af øget effektivitet og pålidelighed.

Der er to vigtige "zoner" i et metal under smeltning. Den første er "smeltezonen, "hvor metallet bliver til en væske, som gør det muligt at sprede og formes efter ønske. Den anden er den "varmepåvirkede zone". I denne tilstødende zone, metallet er ikke smeltet, men dens mikrostruktur kan forringes af varmen.

Jo større en smeltezone er, jo større er den nærliggende varmepåvirkede zone. Imidlertid, til fremstilling, den modsatte effekt ønskes faktisk. En dyb og maksimeret smeltezone kombineret med en tilsvarende minimal varmepåvirket zone ville give mulighed for et smeltet område af høj kvalitet, samtidig med at følsomheden for potentielle defekter i det tilstødende område sænkes.

Holdet, ledet af Xiaochun Li, professor i mekanisk og rumfartsteknik ved UCLA Henry Samueli School of Engineering and Applied Science, viste, at ved at tilføje nanoskala partikler af aluminiumoxid under en senere smeltning af nikkel, de kunne øge dybden af ​​metalets smeltezone med 68 procent, mens den varmepåvirkede zone mindskes med 67 procent. Tilføjelse af nanopartikler af siliciumcarbid viste lignende resultater. Forskningen blev offentliggjort i dag i Naturkommunikation .

"Vores opdagelse af den usædvanlige smeltning og størkning af materialer, der indeholder nanopartikler, vil ikke kun have umiddelbar indflydelse på eksisterende smeltnings- og størkningsfremstillingsprocesser, men også på andre applikationer, såsom farmaceutisk behandling og energilagring, " sagde Li, der har Raytheon-stolen i produktionsteknik.

De tilsatte nanopartikler reducerer varmeafledning under smeltningsprocessen, Li sagde, lave en smeltet zone, der er dybere, mens den varmepåvirkede zone er lavere.

Der er to fysiske mekanismer, der får deres nanopartikel-assisterede proces til at fungere, sagde Li. Først, nanopartiklerne reducerer den termiske ledningsevne, reducerer derfor ledende varmeoverførsel til resten af ​​materialet - i det væsentlige, de fanger mere varme ind.

Sekund, nanopartiklerne øger viskositeten i den smeltede zone, som undertrykker det, der er kendt som termokapillært flow. Dette bremser også varmeoverførslen inde fra den smeltede zone.

Li tilføjede, at nanopartiklers kontrol af mikrostrukturer vil påvirke forskellige eksisterende behandlingsteknologier, såsom svejsning og 3-D print, hvor forringelsen af ​​mikrostrukturerne og materialeegenskaberne i den varmepåvirkede zone er et alvorligt problem, der begrænser komponenternes ydeevne.

"For eksempel, dette kunne bruges til at forbedre fremstillingen af ​​letvægts, højtydende dele, såsom flyvinger og vindmøllevinger, eller fremstilling af præcisionskomponenter som mekaniske gear, " sagde Li.