近日，普渡大學的材料工程師團隊新開發出一種創新工藝，成功造出適用于增材制造（3D 打印）的超高強度鋁合金。此工藝借助納米級、層狀的可變形金屬間化合物，把鈷、鐵、鎳和鈦等過渡金屬引入鋁中，進而研制出一種既擁有高強度，又具備良好塑性變形能力的新型鋁合金。
這次研究由普渡大學材料工程學院的王海燕教授和張星航教授主導，團隊成員包含材料科學專業的研究生尚安宇。相關研究成果在《自然通訊》雜志上發表，得到了美國國家科學基金會和美國海軍研究辦公室的支持。而且，這項創新成果已向美國專利商標局申請專利，以保護其知識產權。
輕質高強度鋁合金在各個行業應用廣泛，然而大多數市面上的高強度鋁合金容易受熱裂影響，不適合用于增材制造。傳統上，通過引入粒子來阻礙位錯運動來增強鋁合金的強度，可這種方法能達到的最高強度僅在 300 至 500 兆帕之間，遠遠低于鋼的 600 至 1000 兆帕。另外，在實現高強度與良好塑性變形能力方面，傳統鋁合金的成果有限。
1、普渡大學的方法及其驗證
普渡大學的研究人員把鈷、鐵、鎳和鈦等過渡金屬形成納米級金屬間化合物薄片，并聚集成細小的玫瑰花結，極大地抑制了金屬間化合物的脆性。
“這些金屬間化合物的晶體結構對稱性低，在室溫下易碎，”普渡大學的研究負責人尚說道。“但我們的辦法是讓過渡金屬元素形成納米級金屬間化合物薄片，再聚集成細小的玫瑰花結。納米層狀玫瑰花結能夠大幅抑制金屬間化合物的脆性。”
王教授補充說：“此外，異質微結構包含堅硬的納米級金屬間化合物和粗晶粒鋁基體，這會產生顯著的背應力，從而提升金屬材料的加工硬化能力。使用激光進行增材制造能實現快速熔化和淬火，從而引入納米級金屬間化合物及其納米層。”
研究團隊對開發的鋁合金開展了多項測試，涵蓋宏觀壓縮試驗、微柱壓縮試驗和后變形分析。測試結果表明，該鋁合金在宏觀測試中展現出明顯的塑性變形能力和高強度，強度超過 900 兆帕。
微柱測試顯示，所有區域都存在顯著的背應力，某些區域的流動應力超過 1 千兆帕。變形后分析顯示，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。
普渡大學團隊的這一創新工藝，成功把多種過渡金屬引入鋁合金，大幅提升了材料的強度和塑性變形能力。這一突破將為各行業應用高強度鋁合金開辟寬廣的前景，特別是在航空航天到汽車制造等行業都會有實際運用。
2、鋁合金實際應用場景
這種創新工藝制造出的超高強度鋁合金具有廣泛的實際應用場景：
在航空航天領域，可用于制造飛機的關鍵結構部件，如機翼、機身框架等，以減輕飛機重量同時保證結構強度，提高燃油效率和飛行性能。
汽車制造行業中，可以用于生產汽車的輕量化零部件，如發動機缸體、車架等，有助于降低車輛能耗，提升操控性能。
在軌道交通領域，能夠應用于制造高速列車的車體和關鍵部件，增強列車的運行穩定性和安全性。
在國防軍工領域，可用于制造武器裝備的結構件，提高裝備的性能和可靠性。
在高端機械制造領域，如精密機床的關鍵部件，能夠提高設備的精度和耐用性。
在電子設備領域，可用于制造輕薄但堅固的外殼，提供良好的防護性能。
在體育器材方面，例如高性能自行車、登山裝備等，能在保證強度的前提下減輕重量，提升使用者的體驗。
總之，這種新型鋁合金的優異性能使其在眾多對材料強度和輕量化要求較高的領域都具有巨大的應用潛力。
原文鏈接：https://www.xianjichina.com/special/detail_552185.html
來源：賢集網
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這次研究由普渡大學材料工程學院的王海燕教授和張星航教授主導，團隊成員包含材料科學專業的研究生尚安宇。相關研究成果在《自然通訊》雜志上發表，得到了美國國家科學基金會和美國海軍研究辦公室的支持。而且，這項創新成果已向美國專利商標局申請專利，以保護其知識產權。
輕質高強度鋁合金在各個行業應用廣泛，然而大多數市面上的高強度鋁合金容易受熱裂影響，不適合用于增材制造。傳統上，通過引入粒子來阻礙位錯運動來增強鋁合金的強度，可這種方法能達到的最高強度僅在 300 至 500 兆帕之間，遠遠低于鋼的 600 至 1000 兆帕。另外，在實現高強度與良好塑性變形能力方面，傳統鋁合金的成果有限。
1、普渡大學的方法及其驗證
普渡大學的研究人員把鈷、鐵、鎳和鈦等過渡金屬形成納米級金屬間化合物薄片，并聚集成細小的玫瑰花結，極大地抑制了金屬間化合物的脆性。
“這些金屬間化合物的晶體結構對稱性低，在室溫下易碎，”普渡大學的研究負責人尚說道。“但我們的辦法是讓過渡金屬元素形成納米級金屬間化合物薄片，再聚集成細小的玫瑰花結。納米層狀玫瑰花結能夠大幅抑制金屬間化合物的脆性。”
王教授補充說：“此外，異質微結構包含堅硬的納米級金屬間化合物和粗晶粒鋁基體，這會產生顯著的背應力，從而提升金屬材料的加工硬化能力。使用激光進行增材制造能實現快速熔化和淬火，從而引入納米級金屬間化合物及其納米層。”
研究團隊對開發的鋁合金開展了多項測試，涵蓋宏觀壓縮試驗、微柱壓縮試驗和后變形分析。測試結果表明，該鋁合金在宏觀測試中展現出明顯的塑性變形能力和高強度，強度超過 900 兆帕。
微柱測試顯示，所有區域都存在顯著的背應力，某些區域的流動應力超過 1 千兆帕。變形后分析顯示，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。
普渡大學團隊的這一創新工藝，成功把多種過渡金屬引入鋁合金，大幅提升了材料的強度和塑性變形能力。這一突破將為各行業應用高強度鋁合金開辟寬廣的前景，特別是在航空航天到汽車制造等行業都會有實際運用。
2、鋁合金實際應用場景
這種創新工藝制造出的超高強度鋁合金具有廣泛的實際應用場景：
在航空航天領域，可用于制造飛機的關鍵結構部件，如機翼、機身框架等，以減輕飛機重量同時保證結構強度，提高燃油效率和飛行性能。
汽車制造行業中，可以用于生產汽車的輕量化零部件，如發動機缸體、車架等，有助于降低車輛能耗，提升操控性能。
在軌道交通領域，能夠應用于制造高速列車的車體和關鍵部件，增強列車的運行穩定性和安全性。
在國防軍工領域，可用于制造武器裝備的結構件，提高裝備的性能和可靠性。
在高端機械制造領域，如精密機床的關鍵部件，能夠提高設備的精度和耐用性。
在電子設備領域，可用于制造輕薄但堅固的外殼，提供良好的防護性能。
在體育器材方面，例如高性能自行車、登山裝備等，能在保證強度的前提下減輕重量，提升使用者的體驗。
總之，這種新型鋁合金的優異性能使其在眾多對材料強度和輕量化要求較高的領域都具有巨大的應用潛力。
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