Группа исследователей из Массачусетского университета в Амхерсте и Технологического института Джорджии напечатала на 3D-принтере двухфазный наноструктурированный высокоэнтропийный сплав, который превосходит по прочности и пластичности другие современные материалы, изготовленные методом аддитивного производства.

За последние 15 лет высокоэнтропийные сплавы (ВЭС) становятся все более популярными как новая парадигма в материаловедении. Состоящие из пяти или более элементов в почти равных пропорциях, они дают возможность создавать почти бесконечное количество уникальных комбинаций для дизайна сплавов. Традиционные сплавы, такие как латунь, углеродистая сталь, нержавеющая сталь и бронза, содержат первичный элемент в сочетании с одним или несколькими микроэлементами.

Аддитивное производство, также называемое 3D-печатью, недавно стало мощным подходом к разработке материалов. Лазерная 3D-печать может создавать большие температурные градиенты и высокие скорости охлаждения, которые недоступны обычными способами. Однако «потенциал использования объединенных преимуществ аддитивного производства и HEA для достижения новых свойств остается в значительной степени неисследованным», — говорит Чжу.

Чен и его команда в Лаборатории многомасштабных материалов и производства объединили HEA с современной технологией 3D-печати, называемой лазерной порошковой сваркой, для разработки новых материалов с беспрецедентными свойствами. По словам Чена, поскольку этот процесс заставляет материалы плавиться и затвердевать очень быстро по сравнению с традиционной металлургией, «вы получаете совершенно другую микроструктуру, далекую от равновесия» на созданных компонентах. 

Эта микроструктура выглядит как сеть и состоит из чередующихся слоев, известных как гранецентрированные кубические (ГЦК) и объемно-центрированные кубические (ОЦК) наноламеллярные структуры, встроенные в микромасштабные эвтектические колонии со случайной ориентацией. Иерархический наноструктурированный ВЭА обеспечивает совместную деформацию двух фаз.

«Атомная перегруппировка этой необычной микроструктуры приводит к сверхвысокой прочности, а также к повышенной пластичности, что необычно, потому что обычно прочные материалы имеют тенденцию быть хрупкими», — говорит Чен. По сравнению с обычным литьем металла, «мы получили почти трехкратное увеличение прочности и не только не потеряли пластичность, но и одновременно увеличили ее», — говорит он. «Для многих применений ключевым является сочетание прочности и пластичности. Наши результаты оригинальны и интересны как для материаловедения, так и для инженерии».

«Возможность производить прочные и пластичные HEA означает, что эти 3D-печатные материалы более устойчивы к деформации, что важно для легких структурных конструкций для повышения механической эффективности и энергосбережения», — говорит Цзе Рен, доктор философии Чена.