Новое исследование, проведенное учеными из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, показывает, что добавление наночастиц к металлам во время процесса плавления позволяет лучше контролировать процесс плавления.
Плавление и затвердевание металлов - важные производственные процессы, используемые при сварке, а также в трехмерной печати. Например, лазерная сварка десятилетиями использовалась при строительстве автомобилей и кораблей. Однако исследователи предполагают, что улучшения в процессах плавления / затвердевания могут иметь финансовые преимущества в результате повышения эффективности и надежности.
Во время плавления в металле есть две важные « зоны ». Первая - это «зона плавления», где металл превращается в жидкость, что позволяет ему растекаться и придавать желаемую форму. Вторая - «зона термического влияния». В этой прилегающей зоне металл не расплавляется, но его микроструктура может ухудшиться от тепла.
Чем больше зона плавления, тем больше соседняя зона термического влияния. Однако для производства на самом деле желателен обратный эффект. Глубокая и увеличенная зона плавления в сочетании с соответствующей зоной минимального термического влияния позволила бы получить высококачественную зону плавления, снизив при этом восприимчивость к потенциальным дефектам в прилегающей зоне.
Команда, возглавляемая Сяочуном Ли, профессором механической и аэрокосмической инженерии в Школе инженерии и прикладных наук Генри Самуэли Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, показала, что, добавляя наноразмерные частицы оксида алюминия во время более позднего плавления никеля, они могут увеличить глубину залегания металла. зона плавления на 68 процентов, при уменьшении зоны термического влияния на 67 процентов. Добавление наночастиц карбида кремния показало аналогичные результаты. Исследование было опубликовано сегодня в Nature Communications .
«Наше открытие необычного плавления и затвердевания материалов, содержащих наночастицы, окажет немедленное влияние не только на существующие производственные процессы плавления и затвердевания, но и на другие приложения, такие как фармацевтическая обработка и хранение энергии», - сказал Ли, занимающий кафедру Raytheon в Технология машиностроения.
По словам Ли, добавленные наночастицы уменьшают рассеивание тепла в процессе плавления , делая зону плавления более глубокой, а зону термического влияния - более мелкой.
По словам Ли, существует два физических механизма, которые заставляют их работать с помощью наночастиц. Во-первых, наночастицы уменьшают теплопроводность, тем самым уменьшая кондуктивную теплопередачу к остальному материалу - по сути, они улавливают больше тепла.
Во-вторых, наночастицы увеличивают вязкость в зоне плавления, что подавляет так называемый термокапиллярный поток. Это также замедляет передачу тепла из зоны плавления.
Ли добавил, что контроль микроструктур с помощью наночастиц повлияет на различные существующие технологии обработки, такие как сварка и трехмерная печать, где ухудшение микроструктур и свойств материала в зоне термического влияния является серьезной проблемой, которая ограничивает производительность компонентов.
«Например, это может быть использовано для улучшения изготовления легких высокопроизводительных деталей, таких как крылья самолетов и лопасти ветряных турбин, или для изготовления прецизионных компонентов, таких как механические шестерни», - сказал Ли.
