Nature子刊：普渡大學(xué)開發(fā)3D打印超強(qiáng)鋁合金，引入納米級(jí)金屬間化合物強(qiáng)化相

2024年7月6日，南極熊獲悉。來自普渡大學(xué)的材料工程師聲稱已經(jīng)開發(fā)了一種可用于制造超高強(qiáng)度鋁合金的新工藝，正在申請(qǐng)專利。新型鋁合金具有優(yōu)異的塑性變形能力，適用于金屬3D打印增材制造。

該項(xiàng)研究以題為“Additive manufacturing of anultrastrong, deformable Al alloy with nanoscale intermetallics”的論文被發(fā)表在同行評(píng)議期刊《自然通訊》上，由尚安宇，王海燕和張星航等人聯(lián)合撰寫。美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)和美國(guó)海軍研究辦公室為這項(xiàng)工作提供了支持。

相關(guān)論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-48693-4?_ga=2.261556173.1564686501.1720197475-715612971.1720197475

Haiyan Wang和XinghangZhang帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)通過納米級(jí)、層狀、可變形的金屬間化合物將過渡金屬鈷、鐵、鎳和鈦引入鋁中。王是 BasilS. Turner 工程學(xué)教授，張是普渡大學(xué)材料工程學(xué)院教授。材料工程研究生Anyu Shang也是該團(tuán)隊(duì)的一員。

Zhang表示：“我們的研究表明，適當(dāng)引入異質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)和納米級(jí)中熵金屬間化合物，為通過增材制造設(shè)計(jì)超強(qiáng)可變形鋁合金提供了一種替代解決方案。這些合金比傳統(tǒng)的合金有所改進(jìn)，要么超強(qiáng)，要么高度可變形，但不能兩者兼具�！�

Wang等人向普渡大學(xué)技術(shù)商業(yè)化創(chuàng)新辦公室提交了這一創(chuàng)新成果，該辦公室已向美國(guó)專利商標(biāo)局申請(qǐng)專利以保護(hù)該知識(shí)產(chǎn)權(quán)。

△普渡大學(xué)教授 Xinghang Zhang（右）和研究生助理 Anyu Shang 準(zhǔn)備使用 SLM125 3D 打印機(jī)。圖片來源：普渡大學(xué)/Anyu Shang。

傳統(tǒng)鋁合金的缺點(diǎn)

輕質(zhì)高強(qiáng)度鋁合金廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車制造等行業(yè)。Shang說：“然而，大多數(shù)商用高強(qiáng)度鋁合金不能用于增材制造。它們極易產(chǎn)生熱裂紋，從而產(chǎn)生缺陷，導(dǎo)致金屬合金劣化�！�

減輕增材制造過程中熱裂的一種傳統(tǒng)方法是引入納米顆粒，通過阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)來強(qiáng)化鋁合金。Wang教授表示：“但這些合金達(dá)到的最高強(qiáng)度在 300 至 500MPa之間，遠(yuǎn)低于鋼所能達(dá)到的 600 至 1,000 MPa強(qiáng)度。在生產(chǎn)同時(shí)具有有益的較大塑性變形能力的高強(qiáng)度鋁合金方面取得的成功有限�！�

研究團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)方法及其驗(yàn)證結(jié)果

普渡大學(xué)的研究人員利用鈷、鐵、鎳和鈦等多種過渡金屬，生產(chǎn)出了金屬間化合物強(qiáng)化的增材制造鋁合金。Shang表示這些金屬傳統(tǒng)上在鋁合金制造中基本上是避免使用的。Shang說：“這些金屬間化合物的晶體結(jié)構(gòu)對(duì)稱性較低，在室溫下易碎。但我們的方法將過渡金屬元素形成納米級(jí)金屬間化合物薄片，這些薄片聚集成細(xì)小的玫瑰花結(jié)。納米層狀玫瑰花結(jié)可以大大抑制金屬間化合物的脆性�！�

△背散射掃描電子顯微鏡 (SEM) 圖像顯示了使用 300 W 激光打印的 Al92Ti2Fe2Co2Ni2合金的概覽微觀結(jié)構(gòu)。

Wang說：“此外，異質(zhì)微結(jié)構(gòu)包含堅(jiān)硬的納米級(jí)金屬間化合物和粗晶粒鋁基體，這會(huì)產(chǎn)生顯著的壓應(yīng)力，從而提高金屬材料的加工硬化能力。使用激光進(jìn)行增材制造可以實(shí)現(xiàn)快速熔化和淬火，從而引入納米級(jí)金屬間化合物及其納米層壓板�！�

△納米級(jí)金屬間化合物的形貌和成分。

研究團(tuán)隊(duì)對(duì)普渡大學(xué)研制的鋁合金進(jìn)行了宏觀壓縮試驗(yàn)、微柱壓縮試驗(yàn)和變形后分析。尚教授說：“宏觀試驗(yàn)中，該合金表現(xiàn)出顯著的塑性變形能力和高強(qiáng)度，強(qiáng)度超過900兆帕。微柱試驗(yàn)在所有區(qū)域都表現(xiàn)出明顯的壓應(yīng)力，某些區(qū)域的流動(dòng)應(yīng)力甚至超過千兆帕。”變形后分析顯示，除了鋁合金基體中豐富的位錯(cuò)活動(dòng)外，單斜Al9Co2型脆性金屬間化合物中還形成了復(fù)雜的位錯(cuò)結(jié)構(gòu)和堆垛層錯(cuò)�！�

有興趣開發(fā)或商業(yè)化該作品的行業(yè)合作伙伴可以聯(lián)系物理科學(xué)業(yè)務(wù)開發(fā)和許可經(jīng)理 ParagVasekar（郵箱：psvasekar@prf.org），了解跟蹤代碼 70316 和 70392。