傳統(tǒng)合金要么超強，要么高度可變形，但不能兩者兼具。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-48693-4

近日， 普渡大學材料工程師團隊近期開發(fā)出一種創(chuàng)新工藝，成功制造出適合增材制造（3D打?。┑某邚姸蠕X合金。該工藝利用納米級、層狀的可變形金屬間化合物，將鈷、鐵、鎳和鈦等過渡金屬引入鋁中，從而開發(fā)出一種兼具高強度和良好塑性變形能力的新型鋁合金。

普渡大學教授張星航（右）和研究生助理尚安宇（左），圖片來自：普渡大學

此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領(lǐng)導，團隊成員包括材料科學專業(yè)的研究生尚安宇。相關(guān)研究成果發(fā)表在《自然通訊》雜志上，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。此外，這項創(chuàng)新成果已向美國專利商標局申請專利以保護其知識產(chǎn)權(quán)。

傳統(tǒng)鋁合金的局限性

輕質(zhì)高強度鋁合金廣泛應用于各個行業(yè)，但大多數(shù)市售的高強度鋁合金由于易受熱裂影響，不適合用于增材制造。傳統(tǒng)上，通過引入粒子來阻礙位錯運動，從而提高鋁合金的強度，但這些方法所能達到的最高強度僅在300至500兆帕之間，遠低于鋼的600至1,000兆帕。此外，在實現(xiàn)高強度與良好塑性變形能力方面，傳統(tǒng)鋁合金的成功有限。

普渡大學方法及其驗證

普渡大學的研究人員通過將鈷、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(jié)，大大抑制了金屬間化合物的脆性。

細玫瑰花結(jié)區(qū)域的變形機制，圖片來自：普渡大學

“這些金屬間化合物的晶體結(jié)構(gòu)對稱性較低，在室溫下易碎，”普渡大學的研究負責人尚表示?！暗覀兊姆椒ㄊ菍⑦^渡金屬元素形成納米級金屬間化合物薄片，然后聚集成細小的玫瑰花結(jié)。納米層狀玫瑰花結(jié)可以大大抑制金屬間化合物的脆性。”

納米級金屬間化合物的形貌和成分，圖片來自：普渡大學

王教授補充道：“此外，異質(zhì)微結(jié)構(gòu)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)生顯著的背應力，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?！?br />

通過該3D打印超高強度鋁合金制作的樣品，圖片來自：普渡大學

研究團隊對所開發(fā)的鋁合金進行了多項測試，包括宏觀壓縮試驗、微柱壓縮試驗和后變形分析。測試結(jié)果顯示，該鋁合金在宏觀測試中表現(xiàn)出顯著的塑性變形能力和高強度，強度超過900兆帕。

微柱壓縮試驗揭示的微尺度機械性能，圖片來自：普渡大學

微柱測試表明，所有區(qū)域均存在顯著的背應力，某些區(qū)域的流動應力超過1千兆帕。變形后分析表明，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(jié)構(gòu)和堆垛層錯。

普渡大學團隊的這一創(chuàng)新工藝，成功地將多種過渡金屬引入鋁合金，顯著提高了材料的強度和塑性變形能力。這一突破將為各個行業(yè)應用高強度鋁合金開辟了廣闊的前景，尤其是在從航空航天到汽車制造等行業(yè)都將有實際應用。

傳統(tǒng)合金要么超強，要么高度可變形，但不能兩者兼具。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-48693-4

近日， 普渡大學材料工程師團隊近期開發(fā)出一種創(chuàng)新工藝，成功制造出適合增材制造（3D打?。┑某邚姸蠕X合金。該工藝利用納米級、層狀的可變形金屬間化合物，將鈷、鐵、鎳和鈦等過渡金屬引入鋁中，從而開發(fā)出一種兼具高強度和良好塑性變形能力的新型鋁合金。

普渡大學教授張星航（右）和研究生助理尚安宇（左），圖片來自：普渡大學

此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領(lǐng)導，團隊成員包括材料科學專業(yè)的研究生尚安宇。相關(guān)研究成果發(fā)表在《自然通訊》雜志上，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。此外，這項創(chuàng)新成果已向美國專利商標局申請專利以保護其知識產(chǎn)權(quán)。

傳統(tǒng)鋁合金的局限性

輕質(zhì)高強度鋁合金廣泛應用于各個行業(yè)，但大多數(shù)市售的高強度鋁合金由于易受熱裂影響，不適合用于增材制造。傳統(tǒng)上，通過引入粒子來阻礙位錯運動，從而提高鋁合金的強度，但這些方法所能達到的最高強度僅在300至500兆帕之間，遠低于鋼的600至1,000兆帕。此外，在實現(xiàn)高強度與良好塑性變形能力方面，傳統(tǒng)鋁合金的成功有限。

普渡大學方法及其驗證

普渡大學的研究人員通過將鈷、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(jié)，大大抑制了金屬間化合物的脆性。

細玫瑰花結(jié)區(qū)域的變形機制，圖片來自：普渡大學

“這些金屬間化合物的晶體結(jié)構(gòu)對稱性較低，在室溫下易碎，”普渡大學的研究負責人尚表示?！暗覀兊姆椒ㄊ菍⑦^渡金屬元素形成納米級金屬間化合物薄片，然后聚集成細小的玫瑰花結(jié)。納米層狀玫瑰花結(jié)可以大大抑制金屬間化合物的脆性。”

納米級金屬間化合物的形貌和成分，圖片來自：普渡大學

王教授補充道：“此外，異質(zhì)微結(jié)構(gòu)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)生顯著的背應力，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?！?br />

通過該3D打印超高強度鋁合金制作的樣品，圖片來自：普渡大學

研究團隊對所開發(fā)的鋁合金進行了多項測試，包括宏觀壓縮試驗、微柱壓縮試驗和后變形分析。測試結(jié)果顯示，該鋁合金在宏觀測試中表現(xiàn)出顯著的塑性變形能力和高強度，強度超過900兆帕。

微柱壓縮試驗揭示的微尺度機械性能，圖片來自：普渡大學

微柱測試表明，所有區(qū)域均存在顯著的背應力，某些區(qū)域的流動應力超過1千兆帕。變形后分析表明，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(jié)構(gòu)和堆垛層錯。

普渡大學團隊的這一創(chuàng)新工藝，成功地將多種過渡金屬引入鋁合金，顯著提高了材料的強度和塑性變形能力。這一突破將為各個行業(yè)應用高強度鋁合金開辟了廣闊的前景，尤其是在從航空航天到汽車制造等行業(yè)都將有實際應用。