據(jù)外媒報(bào)道，普渡大學(xué)（Purdue University）材料工程師正在申請一項(xiàng)新工藝專利，可用于制造超高強(qiáng)度鋁合金。這種鋁合金具有塑性變形能力，可用于增材制造。

圖片來源：《Nature Communications》

由Basil S. Turner工程學(xué)教授Haiyan Wang和普渡大學(xué)材料工程學(xué)院教授Xinghang Zhang領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)通過納米級層狀可變形金屬間化合物將過渡金屬鈷、鐵、鎳和鈦引入鋁中。該研究團(tuán)隊(duì)成員還包括材料工程系研究生Anyu Shang。

Zhang表示：“我們的研究表明，合理引入異質(zhì)微結(jié)構(gòu)和納米級中熵金屬間化合物可為通過增材制造設(shè)計(jì)超強(qiáng)、可變形的鋁合金提供替代解決方案。這些合金在傳統(tǒng)合金的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改良，傳統(tǒng)合金要么具有超高強(qiáng)度，要么能夠高度變形，但無法二者兼得?！?/p>

Wang和Zhang向普渡大學(xué)技術(shù)商業(yè)化創(chuàng)新辦公室（Purdue Innovates Office of Technology Commercialization）提交了這一創(chuàng)新成果，該辦公室已向美國專利商標(biāo)局（U.S. Patent and Trademark Office）申請專利以保護(hù)這項(xiàng)知識(shí)產(chǎn)權(quán)。目前這項(xiàng)研究成果已發(fā)表在期刊《自然通訊》（Nature Communications）上。

傳統(tǒng)鋁合金的缺點(diǎn)

輕質(zhì)、高強(qiáng)度的鋁合金廣泛應(yīng)用于航空航天和汽車制造等行業(yè)。Shang表示：“然而，大多數(shù)市售的高強(qiáng)度鋁合金無法用于增材制造，因?yàn)樗鼈儤O易發(fā)生熱裂，從而產(chǎn)生缺陷，導(dǎo)致金屬合金劣化?！?/p>

在增材制造過程中，緩解熱裂的傳統(tǒng)方法是引入顆粒，通過阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)來增強(qiáng)鋁合金。Wang表示：“但這些合金所能達(dá)到的最高強(qiáng)度在300至500兆帕（MPa）之間，遠(yuǎn)低于鋼的最高強(qiáng)度（通常為600至1000MPa）。迄今為止，在生產(chǎn)既高強(qiáng)度又具有大塑性變形能力的鋁合金方面，成功案例還很有限?！?/p>

新方法及其驗(yàn)證

普渡大學(xué)研究人員通過使用鈷、鐵、鎳和鈦等過渡金屬，生產(chǎn)出金屬間化合物增強(qiáng)的添加劑鋁合金。Shang表示：“傳統(tǒng)上在鋁合金生產(chǎn)中基本不使用這些金屬。這些金屬間化合物的晶體結(jié)構(gòu)對稱性較低，在室溫下比較脆。但我們的方法可將過渡金屬元素形成納米級金屬間化合物層片，這些層片聚集成細(xì)小的玫瑰花狀結(jié)構(gòu)。納米層化的玫瑰花狀結(jié)構(gòu)可以在很大程度上抑制金屬間化合物的脆性?！?/p>

Wang表示：“此外，異質(zhì)微結(jié)構(gòu)包含堅(jiān)硬的納米級金屬間化合物和粗晶粒鋁基體，可產(chǎn)生顯著的背應(yīng)力，從而提高金屬材料的加工硬化能力。增材制造中使用的激光可以實(shí)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狀結(jié)構(gòu)?！?/p>

該研究團(tuán)隊(duì)對普渡大學(xué)制造的鋁合金進(jìn)行了宏觀壓縮試驗(yàn)、微柱壓縮試驗(yàn)和變形后分析。Shang表示：“在宏觀測試中，這種合金顯示出突出的塑性變形能力和高強(qiáng)度（超過900MPa）。微柱測試顯示，所有區(qū)域都有顯著的背應(yīng)力，某些區(qū)域的流動(dòng)應(yīng)力超過1吉帕（GPa）。變形后分析表明，除了鋁合金基體中有豐富的位錯(cuò)活動(dòng)外，在單斜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)和層錯(cuò)?！?/p>