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出高性能金屬合金。再循環(huán)的鋁的性能與原鋁生產的相同材料相當——這表明這種方法可以提供一種低成本的途徑，將更多高質量的再生金屬產品推向市場。通過將廢物轉化為高性能鋁產品，新方法不僅可以提高材料性能，還可以促進環(huán)境可持續(xù)性。

PNNL 材料科學家、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化為高成本產品。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完成?！?/div>

創(chuàng)新的固相合金工藝可在幾分鐘內將鋁廢料與銅、鋅和鎂混合轉化為精確設計的高強度鋁合金產品，而使用傳統(tǒng)的熔煉、鑄造和擠壓生產相同產品則需要幾天時間。研究團隊使用 PNNL 專利技術“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，高速旋轉的模具產生摩擦和熱量，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。

研究團隊使用機械測試和先進的成像技術來檢查固相合金化生產的升級材料的內部結構。他們的結果表明，ShAPE 升級合金在原子水平上賦予了獨特的納米結構。在 ShAPE 過程中，合金內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度。與傳統(tǒng)的再生鋁相比，升級合金的強度提高了 200%，極限抗拉強度也提高了。這些特性可以為消費者帶來更耐用、性能更好的產品。

西北太平洋國家實驗室能源與環(huán)境首席科學技術官、這項研究的合著者辛迪·鮑威爾(Cindy Powell) 表示：“我們能夠將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?！?/div>

固相合金化工藝可用于為各種 3D打印技術創(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料絲。固相合金化是一種生產具有精確成分（如 2% 銅或 5% 銅）的定制合金的絕佳方法?！?/div>

這項研究由 PNNL 實驗室指導研究與開發(fā)項目資助，屬于固相處理科學計劃的一部分。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。