Legeringen met een hoge entropie staan ​​bekend om hun bijna equiatomaire mengsel van meerdere metaalelementen. Ze kunnen tegelijkertijd goed presteren op het gebied van sterkte, taaiheid, hoge temperatuurbestendigheid en corrosieweerstand. Ze worden beschouwd als de volgende generatie belangrijke structurele materialen voor de lucht- en ruimtevaart- en energiesector. De bereiding ervan heeft echter altijd te maken gehad met problemen zoals ongelijkmatige menging en "vlekken" van de structuur.Een onderzoeksteam van het National Institute of Standards and Technology (NIST) heeft onlangs een nieuwe laserpadcontrolemethode voor 3D-printen van metaal voorgesteld. Door het gesmolten bad tijdens het printproces "microscopisch te roeren" verbeterde het met succes de mengefficiëntie van legeringen met een hoge entropie op atomaire schaal, terwijl onderdelen met complexe structuren direct werden geprint.

Traditionele legeringen gebruiken vaak één enkel metaal als matrix, aangevuld met een kleine hoeveelheid andere elementen om de prestaties te verbeteren. Door bijvoorbeeld een kleine hoeveelheid koolstof aan ijzer toe te voegen, kan staal met een aanzienlijk verbeterde sterkte worden geproduceerd, en door nikkel en chroom toe te voegen kan roestvrij staal met een goede corrosieweerstand worden gevormd. Terwijl de vraag naar technische toepassingen blijft toenemen, vooral in turbines, gasturbines, ruimtevaartuigen en andere scenario's waar de uitgebreide eisen voor sterkte, duurzaamheid en weerstand tegen hoge temperaturen steeds strenger worden, beginnen legeringssystemen met een hoge entropie die vertrouwen op vijf of meer metalen met ongeveer vergelijkbare verhoudingen wijdverspreide aandacht te krijgen. Verschillende metalen hebben echter grote verschillen in dichtheid, smeltpunt en stollingsgedrag. Zelfs als ze tijdelijk kunnen worden gesmolten bij hoge temperaturen, kunnen ze tijdens het koelproces gemakkelijk scheiden, waardoor zones met aanzienlijk verschillende eigenschappen ontstaan ​​en de algehele prestaties van het materiaal worden verzwakt. Zoals NIST-natuurkundige Fan Zhang, die aan het onderzoek deelnam, benadrukte, moeten legeringen met een hoog entropiegehalte, om van hun voordelen te kunnen profiteren, voldoende en uniforme menging op atomaire schaal bereiken, wat hogere eisen stelt aan het productieproces.

Momenteel omvatten gebruikelijke routes voor het bereiden van legeringen met een hoog entropiegehalte in laboratoria boogsmelten, poedermetallurgie, enz. Ze kunnen onderzoeksmonsters of eenvoudige blokken verkrijgen, maar het is moeilijk om definitieve onderdelen direct te vervaardigen met complexe binnenholtes en aanpasbare lokale samenstellingen. De laserselectieve fusietechnologie (Laser Powder Bed Fusion) bij de metaaladditieve productie kan theoretisch een verscheidenheid aan metaalpoeders in een poederbed mengen en componenten met complexe geometrische vormen opbouwen door laag voor laag smelten en stapelen. Daarom wordt het beschouwd als een potentieel pad om complexe componenten van legeringen met een hoge entropie te realiseren. Bij een conventioneel proces beweegt een laser met hoog vermogen langs een lineair scantraject op het oppervlak van een dunne poederlaag om een ​​kortstondig klein gesmolten bad te vormen, dat vervolgens snel wordt afgekoeld en gestold. Dit proces is meestal voldoende om een ​​enkel metaal of een eenvoudige legering de prestaties te garanderen. Voor legeringen met een hoge entropie die een volledige menging van meerdere elementen vereisen, is de verblijftijd van het gesmolten bad echter te kort en is de interne stroming onvoldoende, waardoor het moeilijk wordt om de verschillende metaalcomponenten gelijkmatig te verspreiden.

De door het NIST-team voorgestelde oplossing verwijst rechtstreeks naar het stromings- en roerproces in het gesmolten bad: het actief "roeren" van het gesmolten metaal tijdens het printproces om meerdere elementen zo volledig mogelijk te mengen voordat ze stollen. In plaats van de apparatuur op hardwareniveau aanzienlijk aan te passen, kozen ze ervoor om de laserbewegingsmethode op softwareniveau opnieuw te plannen, waarbij het traditionele lineaire scantraject werd herschreven in een 'lus'-pad dat bestaat uit kleine elliptische gesloten bochten, waardoor de laser herhaaldelijk lussen kan tekenen in een extreem kleine ruimte. Dit lasertraject komt overeen met het transformeren van de laser van een eenvoudige warmtebron in een microscopisch "roergereedschap", waardoor sterkere convectie- en roereffecten in het gesmolten zwembad ontstaan, waardoor verschillende metalen in korte tijd vollediger en uniformer worden gemengd. Het onderzoeksteam heeft nieuwe toolpath-software ontwikkeld om deze complexe elliptische scanpatronen te genereren, omdat bestaande commerciële 3D-printsoftware voor metaal nog niet over vergelijkbare mogelijkheden beschikt.

Om de effectiviteit van dit idee te verifiëren, kozen de onderzoekers voor de test een uiterst moeilijke materiaalcombinatie: het naast elkaar plaatsen van de vuurvaste, hoge entropielegering met hoge dichtheid RHEA-19 en de lichtgewicht titaniumlegering, en de laser langs de grens van de twee materialen laten scannen langs een elliptisch traject. De twee legeringen hebben duidelijke verschillen in dichtheid en thermische eigenschappen. Ze worden gemakkelijk in fasen gescheiden onder conventionele omstandigheden van gesmolten poelen en het is moeilijk om een ​​uniforme nieuwe legering te vormen. Daarom zijn ze zeer geschikt voor ‘strenge examenvragen’. Met deze opstelling hoopt het team te observeren of het gesmolten bad de twee materialen kan mengen tot een nieuwe uniforme legering aan de grens onder invloed van laserroeren, in plaats van alleen maar een tweefasige structuur met een duidelijk grensvlak te vormen.

Om te begrijpen wat er in het gesmolten bad gebeurt, is het niet voldoende om het gestolde monster achteraf te observeren, omdat het smelt- en stollingsproces plaatsvindt op een tijdschaal van minder dan een seconde, en het metaal met hoge dichtheid ondoorzichtig is voor zichtbaar licht, waardoor het voor conventionele beeldvormingsmethoden moeilijk wordt om door het interieur te "kijken". Daartoe vertrouwden de onderzoekers op de grote synchrotronstralingsfaciliteit Advanced Photon Source (Advanced Photon Source) van het Argonne National Laboratory. Deze cirkelvormige versneller ter grootte van een stadion kan extreem heldere röntgenstralen produceren, geschikt voor het penetreren van metaalmonsters en het verkrijgen van interne structurele informatie. Het team gebruikte röntgendiffractietechnologie om de verstrooiingspatronen van röntgenstralen in het materiaal in realtime vast te leggen tijdens de smelt- en stollingsprocessen, op basis waarvan ze de evolutietrajecten van de atomaire opstelling in verschillende stadia analyseerden en een tijdreeksbeeld construeerden van de dynamische structuur van het gesmolten zwembad. Tegelijkertijd gebruikten ze ook elektronenmicroscopen om gedetailleerde observaties van het uiteindelijke gestolde materiaal uit te voeren om te bevestigen of de legeringsstructuur de verwachte uniformiteit en prestatiepotentieel bereikte.

Experimenteel bewijs toont aan dat de laser "roer" -strategie een anderszins moeilijk te mengen materiaalcombinatie verbetert, waarbij grensgebieden nieuwe legeringsstructuren vormen die uniformer gemengd zijn, in plaats van eenvoudigweg gelaagd of in stukken verdeeld. Belangrijker nog is dat onderzoek aantoont dat het ontwerp van het laserpad niet alleen de vormgeometrie beïnvloedt, maar ook kan worden gebruikt als een belangrijke procesparameter om de legeringsvormingsmethode te controleren en het mengen van meerdere elementen te bevorderen. Dit biedt een nieuwe controledimensie voor de ontwikkeling van nieuwe legeringssystemen met behulp van additieve productiemethoden. Alles bij elkaar genomen maakt de door het team voorgestelde technische oplossing gebruik van het bestaande laserpoederbedfusieplatform om tegelijkertijd de voorbereiding van grondstoffen voor legeringen met een hoge entropie en de vorming van complexe eindproducten in hetzelfde proces te bereiken via softwaregedefinieerde trajectcontrole.

Vanuit een langeretermijnperspectief gaat de impact van dit werk verder dan het printen van een bepaalde ‘lastige’ legering met hoge entropie. Momenteel is het 3D-printen van metalen vaak afhankelijk van één enkel poeder dat vooraf is gelegeerd. Het maken van verschillende legeringen betekent het bereiden van een verscheidenheid aan overeenkomstige poeders, wat moeilijk is qua kosten, logistiek en procesaanpassing. Het door NIST voorgestelde "lasermenging"-idee wijst op een andere mogelijkheid: relatief eenvoudige metaalpoeders in dezelfde apparatuur plaatsen en deze op verzoek in de apparatuur mengen via laserpad en procesparametercontrole, vergelijkbaar met een kleurenprinter die een paar inkten mengt om rijke kleuren te produceren, waardoor het additieve productieplatform een ​​legeringsfabriek wordt die on-site "formulering" en on-site vorming integreert. Zodra volwassen toepassingen zijn gerealiseerd, kan printapparatuur niet alleen de poedersoorten en voorraadkosten verlagen, maar ook een gradiëntontwerp van componenten binnen één enkel onderdeel realiseren - bijvoorbeeld door meer hittebestendige legeringsformules te gebruiken in gebieden met hoge temperaturen van turbinebladen, en door formules te gebruiken die sterkte en dichtheid in evenwicht brengen in structurele dragende of gewichtsverminderende gebieden, zonder de noodzaak om verschillende materiaalcomponenten te lassen of mechanisch te verbinden.

Uiteraard bevindt deze technologie zich nog in de onderzoeks- en verificatiefase en is geen kant-en-klare industriële oplossing. Het gedrag van verschillende legeringssystemen in het gesmolten bad is heel verschillend. Mixen is slechts één schakel. Bij technische toepassingen moeten ook meerdere variabelen, zoals de neiging tot barsten, poriedefecten, restspanning, afkoelsnelheid, poederkwaliteit en daaropvolgende warmtebehandeling gelijktijdig worden gecontroleerd. Bovendien moeten commerciële software-ecosystemen en apparatuurbesturingssystemen ook regelmatig worden opgevolgd om dergelijke complexe lasergereedschapspaden en legeringsmengstrategieën in industriële scenario's te ondersteunen. Relevante onderzoeksresultaten zijn gepubliceerd in het tijdschrift "Additive Manufacturing", wat een nieuwe procesrichting biedt met een empirische basis voor de toekomstige additieve productie van legeringen met een hoog entropiegehalte en complexe structurele onderdelen.