Labmedya - Laboratuvar ve Sağlık Gazetesi

Massachusettes Amherst Üniversitesi ve Georgia Teknoloji Enstitüsü tarafından geliştirilen yeni bir yapı ile önemli bir ilerlemeye imza atıldı, çünkü bu yeni alaşım hem çok verimli hem de kolayca şekillendirilebiliyor olsa da oldukça dayanıklı.

Yüksek entropi alaşımları (HEA), son 15 yılda malzeme biliminde yeni bir paradigma olarak giderek daha popüler hale geldi. Neredeyse eşit oranlarda beş veya daha fazla elementten oluşurlar ve alaşım tasarımı için neredeyse sonsuz sayıda benzersiz kombinasyon oluşturma yeteneği sunarlar. Pirinç, paslanmaz çelik, karbon çeliği ve bronz gibi geleneksel alaşımlar, bir veya daha fazla eser elementle birleştirilmiş bir birincil element içerir.

Eklemeli üretim olarak da bilinen 3 boyutlu baskı, son zamanlarda malzeme geliştirmeye yönelik güçlü bir yaklaşım olarak ortaya çıkmıştır. Lazer tabanlı 3B baskı, geleneksel yollarla kolayca erişilemeyen büyük sıcaklık gradyanları ve yüksek soğutma oranları üretebilir. Bununla birlikte araştırmayı yönetenlerden Prof. Ting Zhu, “yeni özellikler elde etmek için eklemeli üretimin ve HEA'ların birleşik faydalarından yararlanma potansiyeli büyük ölçüde keşfedilmemiş durumda” dedi.

Chen ve UMass Çok Ölçekli Malzemeler ve Üretim Laboratuvarı’ndaki ekibi, benzeri görülmemiş özelliklere sahip yeni malzemeler geliştirmek için bir HEA'yı lazer tozu yatak füzyonu adı verilen son teknoloji 3B baskı tekniğiyle birleştirdi. Araştırmayı yönetenlerden Doç. When Chen, sürecin geleneksel metalurjiye kıyasla malzemelerin çok hızlı bir şekilde erimesine ve katılaşmasına neden olduğundan, oluşturulan bileşenler üzerinde "dengeden uzak çok farklı bir mikro yapı elde edersiniz" açıklamasını yaptı. Bu mikro yapı bir ağa benzer ve yüz merkezli kübik (FCC) ve vücut merkezli kübik (BCC) nanolamelli yapılar olarak bilinen alternatif katmanlardan oluşur ve rastgele yönelimlerle mikro ölçekli ötektik kolonilere gömülür.

Araştırmacılar, diğer son teknoloji eklemeli olarak üretilmiş malzemelerin mukavemetini ve sünekliğini aşan, çift fazlı, nano yapılı yüksek entropili bir alaşımı başarılı bir şekilde 3B olarak bastı. Kaynak: UMass Amherst

Chen, "Bu olağandışı mikro yapının atomik yeniden düzenlenmesi, genellikle güçlü malzemeler kırılgan olma eğiliminde olduğu için nadir görülen, gelişmiş sünekliğin yanı sıra ultra yüksek mukavemete neden olur. Geleneksel metal döküm ile karşılaştırıldığında mukavemeti neredeyse üç katına çıkardık ve hem sünekliği kaybetmedik hem de aynı anda artırdık. Birçok uygulama için güç ve sünekliğin bir kombinasyonu anahtardır. Bulgularımız hem malzeme bilimi hem de mühendislik için özgün ve heyecan verici” dedi. 

*Malzeme biliminde süneklik, bir malzemenin kopmadan önce çekme gerilimi altında plastik deformasyonu sürdürebilme derecesi ile tanımlanmaktadır.  

Chen'in Ph.D.'si Jie Ren, "Güçlü ve sünek HEA üretme yeteneği, bu 3B basılı malzemelerin uygulanan deformasyona direnmesinde daha sağlam olduğu anlamına gelir. Bu da hafif yapısal tasarım için geliştirilmiş mekanik verimlilik ve enerji tasarrufu için önemlidir” dedi. 

Zhu'nun Georgia Tech'deki grubu, araştırma için hesaplamalı modellemeye öncülük etti. Hem FCC hem de BCC nanolamellerinin oynadığı mekanik rolleri ve bunların malzemeye ilave güç ve süneklik kazandırmak için nasıl birlikte çalıştıklarını anlamak için çift fazlı kristal plastisite hesaplama modelleri geliştirdi.

Zhu’nun dediklerine göre simülasyon sonuçları, alaşımın olağanüstü mukavemet-süneklik sinerjisini elde etmek için çok önemli olan BCC nano lamellerinde şaşırtıcı derecede yüksek mukavemetli, ama yüksek sertleşme tepkilerini göstermekte. Bu mekanik anlayış, olağanüstü mekanik özelliklere sahip 3B baskılı HEA'ların gelecekteki gelişimine rehberlik etmek için önemli bir temel sağlıyor.

Ayrıca 3B baskı, geometrik olarak karmaşık ve özelleştirilmiş parçalar yapmak için çok etkili. Gelecekte 3B baskı teknolojisinden ve HEA'ların geniş alaşım tasarım alanından yararlanmak biyomedikal ve havacılık uygulamaları için son kullanım bileşenlerinin doğrudan üretimi için geniş fırsatlar sunuyor.

Makale: “Strong yet ductile nanolamellar high-entropy alloys by additive manufacturing”, 3 Ağustos 2022, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-022-04914-8