Sains

Membawa metalurgi ke abad ke -21

Rute fabrikasi untuk membuat paduan tembaga-nikel menggunakan manufaktur aditif berbasis influsi hidrogel (HIAM).

Ilmuwan Caltech telah mengembangkan metode untuk membuat objek logam dari bentuk dan komposisi yang ditentukan dengan tepat, memberi mereka kontrol campuran logam yang belum pernah terjadi sebelumnya, atau paduan, mereka membuat dan sifat yang ditingkatkan yang akan ditampilkan kreasi tersebut. Ingin stent yang biokompatibel dan kuat secara mekanis? Bagaimana dengan komponen satelit yang kuat namun ringan yang dapat beroperasi di ruang selama beberapa dekade? Teknik baru ini dapat memberi tahu para ilmuwan dengan tepat kombinasi logam mana yang akan menghasilkan produk terbaik. Selain itu, ia menawarkan rute untuk membuat paduan dengan sifat menguntungkan yang ditentukan oleh struktur yang mendasarinya, seperti paduan tembaga-nikel yang sangat kuat.

“Jika Anda melihat bagaimana metalurgi telah dilakukan selama berabad -abad, dalam sapuan lebar, Anda hampir selalu mulai dengan bijih mentah, yang kemudian diobati secara termal dan/atau secara kimiawi dan disempurnakan, untuk menghasilkan logam atau paduan yang diinginkan. Dan pada dasarnya, mekanik, dan mekanik dari mekanik yang diproduksi dengan cara ini terbatas,” kata Julia R. R. Greer, ruben f. Pejabat Eksekutif untuk Ilmu Fisika dan Bahan Terapan di Caltech. “Apa yang kami tunjukkan adalah bahwa Anda benar-benar dapat menyempurnakan komposisi kimia dan struktur mikro bahan logam, secara substansial meningkatkan ketahanan mekanik mereka.”

Greer dan rekan -rekannya menggambarkan metode baru dalam makalah yang diterbitkan secara online oleh jurnal Kecil. Penulis utama makalah ini adalah Thomas T. Tran (PhD '25), dan penulis kedua adalah Rebecca Gallivan (PhD '23), mantan anggota Lab Greer yang sekarang menjadi asisten profesor teknik di Dartmouth College.

Teknik baru ini dibangun di atas pekerjaan sebelumnya dari laboratorium Greer di mana para ilmuwan menunjukkan cara menggunakan bentuk pencetakan 3D, atau manufaktur aditif, untuk membuat struktur logam mikro yang kompleks. Sebelumnya, teknik, yang disebut Hydrogel-Infusion Aditif Manufacturing (HIAM), telah digunakan untuk membangun struktur dengan hati-hati dari satu jenis logam. Dalam karya baru ini, Tran telah menemukan cara untuk menanamkan lebih dari satu logam pada satu waktu, menciptakan paduan tembaga-nikel yang berisi persentase khusus dari tembaga dan perbedaan nikel yang penting ketika datang ke sifat material.

Proses dimulai dengan pencetakan 3D bahan hidrogel organik, menyimpan resin polimer tepat di tempat yang diinginkan, lapis demi lapis, untuk membuat perancah seperti gel. Perancah itu kemudian diresapi dengan ion logam dengan menuangkan larutan cair garam logam di atas struktur. Selanjutnya, dalam proses yang disebut kalsinasi, para ilmuwan membakar materi, menghilangkan semua konten organik dan meninggalkan logam. Karena ini dilakukan di hadapan oksigen, yang tersisa adalah campuran logam oksida.

Dalam langkah selanjutnya yang inovatif, yang disebut anil reduktif, Tran meningkatkan suhu dalam lingkungan hidrogen yang menyebabkan sebagian besar oksigen menyebar keluar dari padatan; Kemudian bereaksi dengan hidrogen untuk membentuk uap air. Ini meninggalkan struktur logam dari bentuk yang diinginkan yang merupakan paduan dari dua logam yang ditambahkan.

“Komposisi dapat bervariasi dengan cara apa pun yang Anda suka, yang belum dimungkinkan dalam proses metalurgi tradisional,” Greer menjelaskan. “Salah satu kolega kami menggambarkan karya ini sebagai membawa metalurgi ke abad ke -21.”

Dengan menganalisis struktur mikro, yang mencakup orientasi butiran kristal individu dan batas -batas di antara mereka dalam paduan yang mereka hasilkan, dan dengan menguji material secara mekanis, para ilmuwan dapat mengungkapkan lebih banyak tentang paduan khusus yang dibuat dengan teknik baru.

“Ini meletakkan dasar untuk berpikir tentang desain paduan yang dicetak 3D dengan cara yang unik dari teknik manufaktur aditif mikro lainnya,” kata Gallivan. “Kami melihat bahwa lingkungan pemrosesan mengarah pada struktur mikro yang sangat berbeda dibandingkan dengan metode lain.”

Menggunakan transmisi elektron mikroskop (TEM) di UC Irvine Material Research Institute, para peneliti CalTech dapat menunjukkan bahwa paduan yang diproduksi menggunakan metode HIAM mereka membentuk lebih homogen, menghasilkan tingkat simetri yang lebih tinggi di seluruh struktur kristal mereka, Tran menjelaskan. Bentuk, ukuran, dan orientasi butiran logam dipengaruhi oleh transisi antara oksida dan logam selama anil reduktif. Pada suhu tinggi, pori -pori terbentuk saat uap air melarikan diri. Pertumbuhan butiran logam diperlambat oleh pori -pori dan oksida ini. Pekerjaan baru menunjukkan bahwa pertumbuhan ini dimodifikasi oleh jenis oksida yang ada dalam logam cetak 3D ini.

Akibatnya, makalah baru menunjukkan bahwa kekuatan paduan yang dibuat oleh HIAM ditentukan tidak hanya oleh ukuran butiran di dalam logam-seperti yang diperkirakan sebelumnya-tetapi juga oleh komposisi mereka. Paduan Cu12ni88 dengan 12 atom tembaga untuk setiap 88 atom nikel, misalnya, hampir empat kali lebih kuat dari paduan Cu59NI41 yang memiliki tembaga dan nikel dalam rasio 59/41.

Studi TEM juga mengungkapkan bahwa proses HIAM meninggalkan paduan ini dengan inklusi oksida kecil yang berkontribusi pada kekuatan luar biasa bahan. “Karena cara-cara kompleks di mana logam terbentuk selama proses ini, kami menemukan struktur skala nano yang kaya dengan antarmuka logam-oksida yang berkontribusi pada pengerasan paduan kami dengan faktor empat,” kata Tran.

Makalah ini berjudul “Karakterisasi Mikrostruktur Mikrostruktur dan Mekanis dari Paduan Biner Cu-Ni Dikurangi selama Pabrikan Aditif Berbasis Hidrogel (HIAM).”

Tautan terkait

Proses baru memungkinkan pencetakan 3-D teknik struktur logam skala nano untuk logam pencetakan 3-D di skala nano mengungkapkan manfaat kejutan bahan nano-ar yang ditawarkan perbatasan baru dalam teknologi

Source

Related Articles

Tinggalkan Balasan

Alamat email Anda tidak akan dipublikasikan. Ruas yang wajib ditandai *

Back to top button