傳統(tǒng)合金要么超強(qiáng)，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(xué)材料工程師團(tuán)隊(duì)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?qiáng)度鋁合金。該工藝?yán)眉{米級(jí)、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(qiáng)度和良好塑性變形能力的新型鋁合金。

普渡大學(xué)教授張星航（右）和研究生助理尚安宇（左），圖片來自：普渡大學(xué)

此次研究由普渡大學(xué)材料工程學(xué)院的王海燕教授和張星航教授領(lǐng)導(dǎo)，團(tuán)隊(duì)成員包括材料科學(xué)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(xué)基金會(huì)和美國海軍研究辦公室的支持。此外，這項(xiàng)創(chuàng)新成果已向美國專利商標(biāo)局申請(qǐng)專利以保護(hù)其知識(shí)產(chǎn)權(quán)。

傳統(tǒng)鋁合金的局限性

輕質(zhì)高強(qiáng)度鋁合金廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)，但大多數(shù)市售的高強(qiáng)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(cuò)運(yùn)動(dòng)，從而提高鋁合金的強(qiáng)度，但這些方法所能達(dá)到的最高強(qiáng)度僅在300至500兆帕之間，遠(yuǎn)低于鋼的600至1,000兆帕。此外，在實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)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(xué)方法及其驗(yàn)證

普渡大學(xué)的研究人員通過將鈷、鐵、鎳和鈦等過渡金屬形成納米級(jí)金屬間化合物薄片，并聚集成細(xì)小的玫瑰花結(jié)，大大抑制了金屬間化合物的脆性。

細(xì)玫瑰花結(jié)區(qū)域的變形機(jī)制，圖片來自：普渡大學(xué)

“這些金屬間化合物的晶體結(jié)構(gòu)對(duì)稱性較低，在室溫下易碎，”普渡大學(xué)的研究負(fù)責(zé)人尚表示。“但我們的方法是將過渡金屬元素形成納米級(jí)金屬間化合物薄片，然后聚集成細(xì)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(jí)金屬間化合物的形貌和成分，圖片來自：普渡大學(xué)

王教授補(bǔ)充道：“此外，異質(zhì)微結(jié)構(gòu)包含堅(jiān)硬的納米級(jí)金屬間化合物和粗晶粒鋁基體，這會(huì)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。使用激光進(jìn)行增材制造可以實(shí)現(xiàn)快速熔化和淬火，從而引入納米級(jí)金屬間化合物及其納米層?！?br />

通過該3D打印超高強(qiáng)度鋁合金制作的樣品，圖片來自：普渡大學(xué)

研究團(tuán)隊(duì)對(duì)所開發(fā)的鋁合金進(jìn)行了多項(xiàng)測(cè)試，包括宏觀壓縮試驗(yàn)、微柱壓縮試驗(yàn)和后變形分析。測(cè)試結(jié)果顯示，該鋁合金在宏觀測(cè)試中表現(xiàn)出顯著的塑性變形能力和高強(qiáng)度，強(qiáng)度超過900兆帕。

微柱壓縮試驗(yàn)揭示的微尺度機(jī)械性能，圖片來自：普渡大學(xué)

微柱測(cè)試表明，所有區(qū)域均存在顯著的背應(yīng)力，某些區(qū)域的流動(dòng)應(yīng)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(cuò)活動(dòng)外，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)和堆垛層錯(cuò)。

普渡大學(xué)團(tuán)隊(duì)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(qiáng)度和塑性變形能力。這一突破將為各個(gè)行業(yè)應(yīng)用高強(qiáng)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(shí)際應(yīng)用。

傳統(tǒng)合金要么超強(qiáng)，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(xué)材料工程師團(tuán)隊(duì)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?qiáng)度鋁合金。該工藝?yán)眉{米級(jí)、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(qiáng)度和良好塑性變形能力的新型鋁合金。

普渡大學(xué)教授張星航（右）和研究生助理尚安宇（左），圖片來自：普渡大學(xué)

此次研究由普渡大學(xué)材料工程學(xué)院的王海燕教授和張星航教授領(lǐng)導(dǎo)，團(tuán)隊(duì)成員包括材料科學(xué)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(xué)基金會(huì)和美國海軍研究辦公室的支持。此外，這項(xiàng)創(chuàng)新成果已向美國專利商標(biāo)局申請(qǐng)專利以保護(hù)其知識(shí)產(chǎn)權(quán)。

傳統(tǒng)鋁合金的局限性

輕質(zhì)高強(qiáng)度鋁合金廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)，但大多數(shù)市售的高強(qiáng)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(cuò)運(yùn)動(dòng)，從而提高鋁合金的強(qiáng)度，但這些方法所能達(dá)到的最高強(qiáng)度僅在300至500兆帕之間，遠(yuǎn)低于鋼的600至1,000兆帕。此外，在實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)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(xué)方法及其驗(yàn)證

普渡大學(xué)的研究人員通過將鈷、鐵、鎳和鈦等過渡金屬形成納米級(jí)金屬間化合物薄片，并聚集成細(xì)小的玫瑰花結(jié)，大大抑制了金屬間化合物的脆性。

細(xì)玫瑰花結(jié)區(qū)域的變形機(jī)制，圖片來自：普渡大學(xué)

“這些金屬間化合物的晶體結(jié)構(gòu)對(duì)稱性較低，在室溫下易碎，”普渡大學(xué)的研究負(fù)責(zé)人尚表示。“但我們的方法是將過渡金屬元素形成納米級(jí)金屬間化合物薄片，然后聚集成細(xì)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(jí)金屬間化合物的形貌和成分，圖片來自：普渡大學(xué)

王教授補(bǔ)充道：“此外，異質(zhì)微結(jié)構(gòu)包含堅(jiān)硬的納米級(jí)金屬間化合物和粗晶粒鋁基體，這會(huì)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。使用激光進(jìn)行增材制造可以實(shí)現(xiàn)快速熔化和淬火，從而引入納米級(jí)金屬間化合物及其納米層?！?br />

通過該3D打印超高強(qiáng)度鋁合金制作的樣品，圖片來自：普渡大學(xué)

研究團(tuán)隊(duì)對(duì)所開發(fā)的鋁合金進(jìn)行了多項(xiàng)測(cè)試，包括宏觀壓縮試驗(yàn)、微柱壓縮試驗(yàn)和后變形分析。測(cè)試結(jié)果顯示，該鋁合金在宏觀測(cè)試中表現(xiàn)出顯著的塑性變形能力和高強(qiáng)度，強(qiáng)度超過900兆帕。

微柱壓縮試驗(yàn)揭示的微尺度機(jī)械性能，圖片來自：普渡大學(xué)

微柱測(cè)試表明，所有區(qū)域均存在顯著的背應(yīng)力，某些區(qū)域的流動(dòng)應(yīng)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(cuò)活動(dòng)外，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)和堆垛層錯(cuò)。

普渡大學(xué)團(tuán)隊(duì)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(qiáng)度和塑性變形能力。這一突破將為各個(gè)行業(yè)應(yīng)用高強(qiáng)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(shí)際應(yīng)用。