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

2024年7月6日，南極熊獲悉。來自普渡大學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度鋁合金的新工藝，正在申請專利。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。美國國家科學基金會和美國海軍研究辦公室為這項工作提供了支持。

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

Haiyan Wang和XinghangZhang帶領的團隊通過納米級、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 工程學教授，張是普渡大學材料工程學院教授。材料工程研究生Anyu Shang也是該團隊的一員。

Zhang表示：“我們的研究表明，適當引入異質(zhì)微觀結構和納米級中熵金屬間化合物，為通過增材制造設計超強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，要么超強，要么高度可變形，但不能兩者兼具。”

Wang等人向普渡大學技術商業(yè)化創(chuàng)新辦公室提交了這一創(chuàng)新成果，該辦公室已向美國專利商標局申請專利以保護該知識產(chǎn)權。

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

傳統(tǒng)鋁合金的缺點

輕質(zhì)高強度鋁合金廣泛應用于航空航天、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，導致金屬合金劣化?！?/div>

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，通過阻礙位錯運動來強化鋁合金。Wang教授表示：“但這些合金達到的最高強度在 300 至 500MPa之間，遠低于鋼所能達到的 600 至 1,000 MPa強度。在生產(chǎn)同時具有有益的較大塑性變形能力的高強度鋁合金方面取得的成功有限?！?/div>

研究團隊的實驗方法及其驗證結果

普渡大學的研究人員利用鈷、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構對稱性較低，在室溫下易碎。但我們的方法將過渡金屬元素形成納米級金屬間化合物薄片，這些薄片聚集成細小的玫瑰花結。納米層狀玫瑰花結可以大大抑制金屬間化合物的脆性?！?/div>

△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合金的概覽微觀結構。

Wang說：“此外，異質(zhì)微結構包含堅硬的納米級金屬間化合物和粗晶粒鋁基體，這會產(chǎn)生顯著的壓應力，從而提高金屬材料的加工硬化能力。使用激光進行增材制造可以實現(xiàn)快速熔化和淬火，從而引入納米級金屬間化合物及其納米層壓板?！?/div>

△納米級金屬間化合物的形貌和成分。

研究團隊對普渡大學研制的鋁合金進行了宏觀壓縮試驗、微柱壓縮試驗和變形后分析。尚教授說：“宏觀試驗中，該合金表現(xiàn)出顯著的塑性變形能力和高強度，強度超過900兆帕。微柱試驗在所有區(qū)域都表現(xiàn)出明顯的壓應力，某些區(qū)域的流動應力甚至超過千兆帕?！弊冃魏蠓治鲲@示，除了鋁合金基體中豐富的位錯活動外，單斜Al9Co2型脆性金屬間化合物中還形成了復雜的位錯結構和堆垛層錯?！?/div>

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