En años recientes, Se ha hecho posible utilizar rayos láser y rayos de electrones para "imprimir" objetos de ingeniería con formas complejas que no podrían lograrse mediante la fabricación convencional. El proceso de fabricación aditiva (AM), o impresión 3D, para los materiales metálicos implica derretir y fusionar partículas de polvo de escala fina, cada una aproximadamente 10 veces más fina que un grano de arena de playa, en "piscinas" de escala submilimétrica creadas al enfocar un rayo láser o de electrones sobre el material.

"Los rayos altamente enfocados proporcionan un control exquisito, permitir el 'ajuste' de las propiedades en ubicaciones críticas del objeto impreso, "dijo Tresa Pollock, profesor de materiales y decano asociado de la Facultad de Ingeniería de UC Santa Barbara. "Desafortunadamente, muchas aleaciones metálicas avanzadas utilizadas en entornos extremadamente corrosivos y químicamente corrosivos que se encuentran en la energía, las aplicaciones espaciales y nucleares no son compatibles con el proceso de AM ".

El desafío de descubrir nuevos materiales compatibles con AM fue irresistible para Pollock, un científico de renombre mundial que realiza investigaciones sobre materiales y recubrimientos metálicos avanzados. "Esto fue interesante, " ella dijo, "porque un conjunto de aleaciones altamente compatibles podría transformar la producción de materiales metálicos de alto valor económico, es decir, materiales que son costosos porque sus componentes son relativamente raros dentro de la corteza terrestre, al permitir la fabricación de diseños geométricamente complejos con un mínimo desperdicio de material.

"La mayoría de las aleaciones de muy alta resistencia que funcionan en entornos extremos no se pueden imprimir, porque se agrietan, "continuó Pollock, el Profesor Distinguido de Materiales de ALCOA. "Pueden agrietarse en su estado líquido, cuando un objeto todavía se está imprimiendo, o en estado sólido, después de que se saca el material y se le da algunos tratamientos térmicos. Esto ha impedido que las personas empleen aleaciones que usamos actualmente en aplicaciones como motores de aviones para imprimir nuevos diseños que podrían, por ejemplo, aumentar drásticamente el rendimiento o la eficiencia energética ".

Ahora, en un artículo de la revista Comunicaciones de la naturaleza , Pollock, en colaboración con Carpenter Technologies, Laboratorio Nacional Oak Ridge, Los científicos del personal de UCSB Chris Torbet y Gareth Seward, y UCSB Ph.D. estudiantes Sean Murray, Kira Pusch, y Andrew Polonsky, describe una nueva clase de superaleaciones que superan este problema de agrietamiento y, por lo tanto, son una gran promesa para avanzar en el uso de AM para producir componentes complejos únicos para su uso en situaciones de alto estrés, entornos de alto rendimiento.

La investigación fue apoyada por una beca de la facultad Vannevar Bush (VBFF) de $ 3 millones que Pollock recibió del Departamento de Defensa de los EE. UU. En 2017. La VBFF es el premio de investigador individual más prestigioso del Departamento de Defensa, apoyando la investigación básica que podría tener un impacto transformador.

En el papel, los autores describen una nueva clase de alta resistencia, resistente a defectos, Superaleaciones imprimibles en 3-D, definidas como aleaciones típicamente a base de níquel que mantienen la integridad del material a temperaturas de hasta el 90% de su punto de fusión. La mayoría de las aleaciones se deshacen al 50% de sus temperaturas de fusión. Estas nuevas superaleaciones contienen aproximadamente partes iguales de cobalto (Co) y níquel (Ni), más pequeñas cantidades de otros elementos. Estos materiales son aptos para la impresión 3D sin fisuras mediante fusión por haz de electrones (EBM), así como los enfoques más desafiantes de lecho de polvo láser. haciéndolos ampliamente útiles para la plétora de máquinas de impresión que están ingresando al mercado.

Debido a sus excelentes propiedades mecánicas a temperaturas elevadas, Las superaleaciones a base de níquel son el material de elección para componentes estructurales como álabes y álabes de turbinas monocristalinas (SX) que se utilizan en las secciones calientes de los motores de aviones. En una variación de una superaleación que desarrolló el equipo, Pollock dijo:"El alto porcentaje de cobalto nos permitió diseñar características en los estados líquido y sólido de la aleación que la hacen compatible con una amplia gama de condiciones de impresión".

El desarrollo de la nueva aleación fue facilitado por trabajos previos realizados como parte de proyectos financiados por NSF alineados con la Iniciativa Nacional de Genoma de Materiales. que tiene el objetivo subyacente de apoyar la investigación para abordar los grandes desafíos que enfrenta la sociedad mediante el desarrollo de materiales avanzados "dos veces más rápido a la mitad del costo".

El trabajo de NSF de Pollock en esta área se llevó a cabo en colaboración con los profesores de materiales de UCSB Carlos G. Levi y Anton Van der Ven. Sus esfuerzos incluyeron el desarrollo e integración de un conjunto de herramientas de diseño de aleaciones computacionales y de alto rendimiento necesarias para explorar el gran espacio de composición multicomponente requerido para descubrir nuevas aleaciones. Al discutir el nuevo documento, Pollock también reconoció el importante papel del entorno de investigación colaborativa en la Facultad de Ingeniería que hizo posible este trabajo.