Инженеры-материаловеды Университета Пердью создали запатентованный процесс получения сверхвысокопрочных алюминиевых сплавов, которые подходят для аддитивного производства благодаря своей пластической деформируемости.
Хайян Ван и Синхан Чжан возглавляют команду, которая ввела переходные металлы кобальт, железо, никель и титан в алюминий с помощью наномасштабных, слоистых, деформируемых интерметаллидов. Ван — профессор инженерии имени Базиля С. Тернера, а Чжан — профессор Школы материаловедения Пердью. Аню Шан, аспирантка по материаловедению, дополняет команду.
«Наша работа показывает, что правильное внедрение гетерогенных микроструктур и наномасштабных интерметаллидов средней энтропии предлагает альтернативное решение для проектирования сверхпрочных, деформируемых алюминиевых сплавов с помощью аддитивного производства», — сказал Чжан. «Эти сплавы превосходят традиционные, которые являются либо сверхпрочными, либо высокодеформируемыми, но не тем и другим одновременно».
Ван и Чжан сообщили об инновации Управлению по коммерциализации технологий Purdue Innovates, которое подало заявку на патент в Бюро по патентам и товарным знакам США для защиты интеллектуальной собственности.
Исследование опубликовано в журнале Nature Communications.
Недостатки традиционных алюминиевых сплавов
Легкие и высокопрочные алюминиевые сплавы используются в различных отраслях промышленности: от аэрокосмической до автомобилестроения.
«Однако большинство коммерчески доступных высокопрочных алюминиевых сплавов не могут использоваться в аддитивном производстве», — сказал Шан. «Они очень подвержены образованию горячих трещин, что создает дефекты, которые могут привести к ухудшению металлического сплава».
Традиционным методом снижения образования горячих трещин в процессе аддитивного производства является введение частиц, которые упрочняют алюминиевые сплавы, препятствуя движению дислокаций.
«Но максимальная прочность, которую достигают эти сплавы, находится в диапазоне от 300 до 500 мегапаскалей, что намного ниже, чем прочность сталей, обычно от 600 до 1000 мегапаскалей», — сказал Ван. «Был достигнут ограниченный успех в производстве высокопрочных алюминиевых сплавов, которые также демонстрируют полезную большую пластическую деформируемость».
Метод и его валидация
Исследователи из Purdue создали упрочненные интерметаллидами аддитивные алюминиевые сплавы, используя несколько переходных металлов, включая кобальт, железо, никель и титан. Шан сказал, что эти металлы традиционно в значительной степени избегались при производстве алюминиевых сплавов.
«Эти интерметаллиды имеют кристаллическую структуру с низкой симметрией и, как известно, хрупки при комнатной температуре», — сказал Шан.
«Но наш метод формирует переходные металлические элементы в колонии наномасштабных интерметаллических пластин, которые объединяются в мелкие розетки. Наноламинированные розетки могут в значительной степени подавить хрупкую природу интерметаллических соединений».
Ван сказал: «Кроме того, гетерогенные микроструктуры содержат твердые наноразмерные интерметаллиды и крупнозернистую алюминиевую матрицу, что вызывает значительное обратное напряжение, которое может улучшить способность металлических материалов к упрочнению. Аддитивное производство с использованием лазера может обеспечить быстрое плавление и закалку и, таким образом, ввести наноразмерные интерметаллиды и их наноламинаты».
Исследовательская группа провела макромасштабные испытания на сжатие, испытания на микростолбиковое сжатие и анализ после деформации алюминиевых сплавов, созданных в Purdue.
«В ходе макромасштабных испытаний сплавы продемонстрировали сочетание выраженной пластической деформируемости и высокой прочности, более 900 мегапаскалей. Микростолбчатые испытания выявили значительное обратное напряжение во всех областях, а в некоторых областях напряжения течения превышали гигапаскаль», — сказал Шан.
«Анализ после деформации показал, что в дополнение к обильной дислокационной активности в матрице алюминиевого сплава в хрупких интерметаллических соединениях моноклинного типа Al 9 Co 2 образуются сложные дислокационные структуры и дефекты упаковки».
