普渡大学工程师开发出超高强度铝合金 可用于增材制造

盖世汽车讯 据外媒报道，普渡大学（Purdue University）材料工程师正在申请一项新工艺专利，可用于制造超高强度铝合金。这种铝合金具有塑性变形能力，可用于增材制造。

图片来源：《Nature Communications》

由Basil S. Turner工程学教授Haiyan Wang和普渡大学材料工程学院教授Xinghang Zhang领导的研究团队通过纳米级层状可变形金属间化合物将过渡金属钴、铁、镍和钛引入铝中。该研究团队成员还包括材料工程系研究生Anyu Shang。

Zhang表示：“我们的研究表明，合理引入异质微结构和纳米级中熵金属间化合物可为通过增材制造设计超强、可变形的铝合金提供替代解决方案。这些合金在传统合金的基础上进行了改良，传统合金要么具有超高强度，要么能够高度变形，但无法二者兼得。”

Wang和Zhang向普渡大学技术商业化创新办公室（Purdue Innovates Office of Technology Commercialization）提交了这一创新成果，该办公室已向美国专利商标局（U.S. Patent and Trademark Office）申请专利以保护这项知识产权。目前这项研究成果已发表在期刊《自然通讯》（Nature Communications）上。

传统铝合金的缺点

轻质、高强度的铝合金广泛应用于航空航天和汽车制造等行业。Shang表示：“然而，大多数市售的高强度铝合金无法用于增材制造，因为它们极易发生热裂，从而产生缺陷，导致金属合金劣化。”

在增材制造过程中，缓解热裂的传统方法是引入颗粒，通过阻碍位错运动来增强铝合金。Wang表示：“但这些合金所能达到的最高强度在300至500兆帕（MPa）之间，远低于钢的最高强度（通常为600至1000MPa）。迄今为止，在生产既高强度又具有大塑性变形能力的铝合金方面，成功案例还很有限。”

新方法及其验证

普渡大学研究人员通过使用钴、铁、镍和钛等过渡金属，生产出金属间化合物增强的添加剂铝合金。Shang表示：“传统上在铝合金生产中基本不使用这些金属。这些金属间化合物的晶体结构对称性较低，在室温下比较脆。但我们的方法可将过渡金属元素形成纳米级金属间化合物层片，这些层片聚集成细小的玫瑰花状结构。纳米层化的玫瑰花状结构可以在很大程度上抑制金属间化合物的脆性。”

Wang表示：“此外，异质微结构包含坚硬的纳米级金属间化合物和粗晶粒铝基体，可产生显著的背应力，从而提高金属材料的加工硬化能力。增材制造中使用的激光可以实现快速熔化和淬火，从而引入纳米级金属间化合物及其纳米层状结构。”

该研究团队对普渡大学制造的铝合金进行了宏观压缩试验、微柱压缩试验和变形后分析。Shang表示：“在宏观测试中，这种合金显示出突出的塑性变形能力和高强度（超过900MPa）。微柱测试显示，所有区域都有显著的背应力，某些区域的流动应力超过1吉帕（GPa）。变形后分析表明，除了铝合金基体中有丰富的位错活动外，在单斜Al9Co2型脆性金属间化合物中还形成了复杂的位错结构和层错。”