PNLL開發(fā)固相合金化工藝，可將金屬廢料升級改造為3D打印高價值合金

2025年1月1日，南極熊獲悉，美國能源部太平洋西北國家實驗室 (PNLL) 的研究人員宣布開發(fā)出一種“固相合金化”工藝，可以將金屬廢料直接轉(zhuǎn)化為適合多種制造形式(包括 WAAM)的高性能、高價值合金，而無需傳統(tǒng)的熔化流程。

這項研究的成果最近以題為“Upcycled high-strengthaluminum alloys from scrap through solid-phase alloying”發(fā)表在《自然通訊》雜志上。

相關(guān)論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-53062-2

研究表明，工業(yè)廢料中的廢鋁可以生產(chǎn)出高性能金屬合金。再循環(huán)的鋁的性能與原鋁生產(chǎn)的相同材料相當(dāng)——這表明這種方法可以提供一種低成本的途徑，將更多高質(zhì)量的再生金屬產(chǎn)品推向市場。通過將廢物轉(zhuǎn)化為高性能鋁產(chǎn)品，新方法不僅可以提高材料性能，還可以促進(jìn)環(huán)境可持續(xù)性。

PNNL 材料科學(xué)家、這項研究的主要作者Xiao說：“我們這項研究的創(chuàng)新之處在于，通過在鋁屑混合物中添加精確數(shù)量的金屬元素作為前體，可以將其從低成本廢物轉(zhuǎn)化為高成本產(chǎn)品。我們只需一步就能完成這一操作，所有合金在五分鐘或更短的時間內(nèi)完成�！�

創(chuàng)新的固相合金工藝可在幾分鐘內(nèi)將鋁廢料與銅、鋅和鎂混合轉(zhuǎn)化為精確設(shè)計的高強(qiáng)度鋁合金產(chǎn)品，而使用傳統(tǒng)的熔煉、鑄造和擠壓生產(chǎn)相同產(chǎn)品則需要幾天時間。研究團(tuán)隊使用 PNNL 專利技術(shù)“剪切輔助加工和擠壓”（ShAPE）來實現(xiàn)他們的研究成果。然而，研究人員指出，這些發(fā)現(xiàn)應(yīng)該可以通過其他固相制造工藝重現(xiàn)。

在 ShAPE 工藝中，高速旋轉(zhuǎn)的模具產(chǎn)生摩擦和熱量，將大塊的起始成分分散成均勻的合金，其特性與新制造的鋁鍛造產(chǎn)品相同。固相方法消除了能源密集型批量熔煉的需要，再加上來自廢料的低成本原料，有可能大幅降低制造這些材料的成本。對于消費者來說，這意味著回收的鋁產(chǎn)品將具有更長的使用壽命和更好的性能，而且成本更低，無論是汽車、建筑材料還是家用電器的部件。

研究團(tuán)隊使用機(jī)械測試和先進(jìn)的成像技術(shù)來檢查固相合金化生產(chǎn)的升級材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。他們的結(jié)果表明，ShAPE 升級合金在原子水平上賦予了獨特的納米結(jié)構(gòu)。在 ShAPE 過程中，合金內(nèi)部會形成原子級特征，稱為 Guinier-Preston 區(qū)。眾所周知，這些特征可以提高金屬合金的強(qiáng)度。與傳統(tǒng)的再生鋁相比，升級合金的強(qiáng)度提高了 200%，極限抗拉強(qiáng)度也提高了。這些特性可以為消費者帶來更耐用、性能更好的產(chǎn)品。

西北太平洋國家實驗室能源與環(huán)境首席科學(xué)技術(shù)官、這項研究的合著者辛迪·鮑威爾(Cindy Powell) 表示：“我們能夠?qū)�廢料再利用的能力令人興奮，但這項研究最讓我興奮的是，固相合金化不僅限于鋁合金和垃圾原料。固相合金化在理論上適用于任何你能想到的金屬組合，而制造完全在固態(tài)進(jìn)行這一事實意味著你可以開始考慮我們以前無法制造的全新合金�！�

固相合金化工藝可用于為各種 3D打印技術(shù)創(chuàng)建定制金屬絲合金。例如，線弧增材制造 (WAAM)用于 3D 打印或修復(fù)金屬部件。

Xiao說：“對于基于線材的增材制造來說，很難獲得具有定制成分的進(jìn)料絲。固相合金化是一種生產(chǎn)具有精確成分（如 2% 銅或 5% 銅）的定制合金的絕佳方法�！�

這項研究由 PNNL 實驗室指導(dǎo)研究與開發(fā)項目資助，屬于固相處理科學(xué)計劃的一部分。PNNL 研究人員 Tianhao Wang、Zehao Li、Tingkun Liu、Xiang Wang、Arun Devaraj、Cindy Powell 和 Jorge F. dos Santos 也參與了這項研究。