Исследователи изучают стабильность суперсплава, напечатанного на 3D-принтере, в экстремальных условиях

Понимание надежности материалов, разработанных для экстремальных условий, имеет решающее значение для различных приложений с высокими ставками. Недавнее исследование, проведенное Университетом Алабамы в Бирмингеме (UAB), опубликованное в Scientific Reports, проливает свет на поведение 3D-печатных суперсплавов в экстремальных условиях. Используя визуализацию высокого разрешения и компьютерное моделирование, исследование дает новое представление о стабильности и производительности этих материалов при воздействии высоких давлений.

Изображение SEM с обратным рассеиванием (Изображение предоставлено: Scientific Reports (2024). DOI: 10.1038/s41598-024-67422-x)

Расширение знаний о материалах для экстремальных условий

Йогеш Вохра, доктор философии, профессор кафедры физики и заместитель декана по исследованиям и инновациям в Колледже искусств и наук в UAB, возглавляет Центр аддитивно-изготовленных сложных систем в экстремальных условиях (CAMCSE). Центр занимается разработкой материалов, способных выдерживать экстремальные давления, температуры и высокоскоростные удары. Эти усилия имеют важное значение для развития технологий в таких областях, как аэрокосмическая промышленность, производство электроэнергии и ядерная энергетика.

В исследовании использовалась технология сфокусированного ионного пучка для извлечения сжатых образцов сплава, напечатанного на 3D-принтере, каждый толщиной всего в несколько нанометров. Электронная микроскопия показала, что нанослоистая структура сплава осталась неповрежденной даже после воздействия экстремальных давлений, что подтверждает необратимость фазового превращения. Это открытие имеет важное значение, поскольку оно демонстрирует способность материала сохранять свою структурную целостность в условиях, которые обычно бросают вызов стабильности обычных материалов.

Доктор Вохра подчеркнул важность понимания фундаментальных структурных механизмов, которые способствуют высокой прочности и пластичности сплавов, напечатанных на 3D-принтере. “В частности, то, как изменения кристаллической структуры под высоким давлением могут повлиять на механические свойства сплавов, напечатанных на 3D-принтере,” объяснил Вохра. Наблюдения с помощью электронной микроскопии в исследовании являются передовыми, поскольку они подтверждают, что наноструктурированные слои остаются стабильными, без изменения химического состава, даже после воздействия экстремального давления.

Последствия для приложений с высокими ставками

Это исследование имеет далеко идущие последствия для проектирования и применения аддитивно изготовленных материалов в средах, характеризующихся экстремальными условиями. Результаты могут привести к прогрессу в разработке материалов для аэрокосмической и энергетической промышленности, где высокие температуры и давления являются нормой. Кроме того, стабильность этих 3D-печатных сплавов при гиперскоростных ударах и в условиях высокой радиации, таких как те, что встречаются в ядерных реакторах, предполагает их потенциальное использование в строительстве устойчивых конструкций, способных выдерживать суровые условия.

Вора подчеркнул совместный характер этого исследования, отметив, что исследование “представляет собой коллективный опыт четырех различных академических учреждений, применяемый к 3D-печатным суперсплавам в экстремальных условиях.” Этот междисциплинарный подход не только способствует пониманию изменений кристаллической структуры, вызванных высоким давлением, но и предоставляет ценные возможности обучения для аспирантов UAB.

Установка новых стандартов в материаловедении

Исследование, проводимое UAB и командой CAMCSE, подчеркивает важность сотрудничества между научными и инженерными дисциплинами. Сосредоточившись на поведении 3D-печатных суперсплавов в экстремальных условиях, исследование устанавливает новые стандарты для характеристик материалов в средах высокого давления. Полученные в ходе этого исследования знания готовы повлиять на проектирование и разработку будущих материалов, прокладывая путь для инноваций в отраслях, которые полагаются на стабильность и долговечность материалов в экстремальных условиях.