Metallurgie naar de 21ste eeuw brengen: nauwkeurig gevormde metalen objecten bieden een ongekende legeringscontrole

Caltech -wetenschappers hebben een methode ontwikkeld om metalen objecten van een nauwkeurig gespecificeerde vorm en samenstelling te creëren, waardoor ze een ongekende controle van de metalen mengsels of legeringen hebben, creëren ze en de verbeterde eigenschappen die die creaties zullen weergeven. Wil je een stent die biocompatibel en mechanisch robuust is? Hoe zit het met sterke maar lichtgewicht satellietcomponenten die tientallen jaren in de ruimte kunnen werken?

De nieuwe techniek kan wetenschappers precies vertellen welke combinatie van metalen het beste product oplevert. Bovendien biedt het een route om legeringen te maken met gunstige eigenschappen bepaald door hun onderliggende structuur, zoals verrassend sterke legeringen van koper -nickel.

“Als je kijkt hoe metallurgie al eeuwen is gedaan, in brede strelen, begin je bijna altijd met een raw ertsen, die dan thermisch en/of chemisch behandeld en verfijnd is om de gewenste metaal of legering te produceren. En in feite, de mechanische eigenschappen van de metalen die op deze manier zijn geproduceerd, zijn beperkt,” Executive Officer voor Applied Physics and Materials Science bij Caltech.

“Wat we laten zien, is dat u de chemische samenstelling en de microstructuur van metalen materialen daadwerkelijk kunt verfijnen, waardoor hun mechanische veerkracht aanzienlijk wordt verbeterd.”

Greer en haar collega’s beschrijven de nieuwe methode in een papier Online gepubliceerd door het tijdschrift Klein. De hoofdauteur van de krant is Thomas T. Tran (Ph.D. ’25), en de tweede auteur is Rebecca Gallivan (Ph.D. ’23), een voormalig lid van het Greer Lab die nu universitair docent is van Engineering aan het Dartmouth College.

De nieuwe techniek bouwt voort op eerder werk van het Greer -lab waarin de wetenschappers lieten zien hoe ze een vorm van 3D -printen of additieve productie kunnen gebruiken om complexe metaalstructuren op microschaal te maken.

Eerder was de techniek, genaamd Hydrogel-Infusion Additive Manufacturing (HIAM), gebruikt om zorgvuldig structuren te bouwen van een enkel type metaal. In het nieuwe werk heeft Tran een manier ontdekt om meer dan één metaal tegelijk te infuseren, waardoor koper -nikellegeringen worden gecreëerd met aangepaste percentages koper en nikkel – verschillen die ertoe doen als het gaat om materiële eigenschappen.

Het proces begint met 3D-afdrukken van een organisch hydrogelmateriaal, waarbij de polymeerhars precies worden afgezet waar het wordt gewenst, laag voor laag, om een gelachtige steiger te maken. Dat steiger wordt vervolgens doordrenkt met metaalionen door een vloeibare oplossing van metalen zouten over de structuur te gieten. Vervolgens, in een proces dat calcinatie wordt genoemd, verbranden de wetenschappers het materiaal, verwijderen ze alle organische inhoud en laten de metalen achter. Omdat dit wordt gedaan in de aanwezigheid van zuurstof, is wat er nog over is een mengsel van metaaloxiden.

In een innovatieve volgende stap, reductieve gloeien genoemd, verhoogt Tran de temperatuur in een waterstofomgeving waardoor het grootste deel van de zuurstof terug diffunderen uit de vaste stof; Vervolgens reageert het met waterstof om waterdamp te vormen. Dit laat een metalen structuur achter van de gewenste vorm die een legering is van de twee toegevoegde metalen.

“De compositie kan worden gevarieerd op elke manier die u wilt, wat niet mogelijk is geweest in traditionele metallurgieprocessen,” legt Greer uit. “Een van onze collega’s beschreef dit werk als het brengen van metallurgie in de 21ste eeuw.”

Door de microstructuur te analyseren, waaronder de oriëntatie van de individuele kristalkorrels en de grenzen onder hen binnen de legeringen die ze produceerden, en door de materialen mechanisch te testen, konden de wetenschappers meer onthullen over de speciale legeringen gemaakt met de nieuwe techniek.

“Dit legt de basis voor het denken over 3D-geprinte legeringsontwerp op een unieke manier van andere microschaal additieve productietechnieken”, zegt Gallivan. “We zien dat de verwerkingsomgeving leidt tot zeer verschillende microstructuren in vergelijking met andere methoden.”

Met behulp van een transmissie -elektronenmicroscoop (TEM) bij het UC Irvine Materials Research Institute, konden de CalTech -onderzoekers aantonen dat legeringen geproduceerd met behulp van hun Hiam -methode meer homogeen vormen, wat resulteert in hogere symmetrie in hun kristalstructuur, legt Tran uit.

De vorm, grootte en oriëntatie van metaalkorrels worden beïnvloed door de overgang tussen oxide en metaal tijdens reductieve gloeien. Bij verhoogde temperaturen vormen poriën als waterdamp ontsnapt. Metaalkorrelgroei wordt vertraagd door deze poriën en oxiden. Het nieuwe werk laat zien dat deze groei wordt gewijzigd door de soorten oxiden die aanwezig zijn in deze 3D-geprinte metalen.

Als gevolg hiervan laat het nieuwe artikel zien dat de sterkte van legeringen die door Hiam zijn gecreëerd, niet alleen wordt bepaald door de grootte van de korrels in de metalen – zoals eerder werd gedacht – maar ook door hun compositie. Een Cu₁₂Ni₈₈ Legering met 12 atomen van koper voor elke 88 atomen van nikkel, bijvoorbeeld, is bijna vier keer zo sterk als een Cu₅₉Ni₄₁ Legering die koper en nikkel heeft in een 59/41 -verhouding.

Uit de TEM -onderzoeken bleek ook dat het HIAM -proces deze legeringen achterlaat met kleine oxide -insluitsels die bijdragen aan de uitzonderlijke sterkte van de materialen. “Vanwege de complexe manieren waarop metaal wordt gevormd tijdens dit proces, vinden we nanoschaalstructuren rijk aan metaal -oxide -interfaces die bijdragen aan de verharding van onze legeringen tot een factor vier,” zegt Tran.

Het artikel is getiteld “Multischaal microstructurele en mechanische karakterisering van Cu-Ni binaire legeringen verminderd tijdens hydrogel-infusie-gebaseerde additieve productie (HIAM).”