耐用高熵合金(HEAs):挑战强度极限的激光金属工艺

2024年01月11日 04:53 次阅读 稿源:cnBeta.COM 条评论

基于激光的快速成型技术生产出的高熵合金强度更高、更不易断裂。研究人员通过将几种金属元素结合在一起,制造出一种名为耐用高熵合金(HEAs)的材料。HEAs 在涉及严重磨损、极端温度、辐射和高应力的应用中具有潜在用途。

它们可以通过3D打印(也称为增材制造AM)制造,但这通常会导致延展性较差。这意味着3D打印的HEA难以成型,在负载作用下不会产生足够的变形或拉伸,从而无法防止断裂。

现在,科学家们利用基于激光的AM技术制造出了强度更高、延展性更好的HEA。他们利用中子和X射线散射以及电子显微镜来更好地了解这些性能改进的机理。

有朝一日,工业生产中可能会用到更坚固、更易成形的 HEA。为了在这些应用中发挥作用,轻型和复杂的 HEA 部件需要提高耐用性、可靠性和抗断裂性。

这将使消费者和工业界受益,例如可以生产出更安全、更省油的汽车、更坚固的产品和更耐用的机械。此外,基于激光的 AM(激光将粉末合金熔化成固体金属形状)具有很高的能效。这使其对生产新型 HEA 具有吸引力。

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通过快速成型技术制造的高熵合金(左)中发现的两种晶体结构(右)的图像。资料来源:马萨诸塞大学阿默斯特分校

纳米薄片结构和机械性能

基于激光的增材制造工艺制造出了纳米厚的纳米薄板(薄板层),具有很高的强度,而薄板的明显边缘允许一定程度的滑动(延展性)。板由平均厚度约为 150 纳米的面心立方(FCC)晶体结构和平均厚度约为 65 纳米的体心立方(BCC)晶体结构交替层组成。

新型 HEA 的屈服强度高达约 1.3 千兆帕,超过了目前强度最高的钛合金。这些 HEA 还具有约 14% 的伸长率,高于具有相同屈服强度的其他 AM 金属合金。伸长率是衡量材料在不断裂的情况下可承受的弯曲程度的指标。

先进的研究技术和设施

中子数据来自位于橡树岭国家实验室(ORNL)的能源部(DOE)科学办公室用户设施 Spallation 中子源,研究人员利用这些数据可以检查 HEA 样品在应变时的内部机械负载分担情况。

研究人员利用同样位于橡树岭国家实验室(ORNL)的能源部用户设施--纳米材料科学中心(Center for Nanophase Materials Sciences)的原子探针仪器,捕捉到了由交替的纳米薄片层组成的成分和微结构的详细三维图像。

在阿贡国家实验室的另一个能源部科学办公室用户设施--先进光子源,研究人员利用 X 射线衍射对不同退火样品的相进行了研究。

编译来源:ScitechDaily

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