Nature子刊：普渡大学开发3D打印超强铝合金，引入纳米级金属间化合物强化相

2024年7月6日，南极熊获悉。来自普渡大学的材料工程师声称已经开发了一种可用于制造超高强度铝合金的新工艺，正在申请专利。新型铝合金具有优异的塑性变形能力，适用于金属3D打印增材制造。

该项研究以题为“Additive manufacturing of anultrastrong, deformable Al alloy with nanoscale intermetallics”的论文被发表在同行评议期刊《自然通讯》上，由尚安宇，王海燕和张星航等人联合撰写。美国国家科学基金会和美国海军研究办公室为这项工作提供了支持。

相关论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-48693-4?_ga=2.261556173.1564686501.1720197475-715612971.1720197475

Haiyan Wang和XinghangZhang带领的团队通过纳米级、层状、可变形的金属间化合物将过渡金属钴、铁、镍和钛引入铝中。王是 BasilS. Turner 工程学教授，张是普渡大学材料工程学院教授。材料工程研究生Anyu Shang也是该团队的一员。

Zhang表示：“我们的研究表明，适当引入异质微观结构和纳米级中熵金属间化合物，为通过增材制造设计超强可变形铝合金提供了一种替代解决方案。这些合金比传统的合金有所改进，要么超强，要么高度可变形，但不能两者兼具。”

Wang等人向普渡大学技术商业化创新办公室提交了这一创新成果，该办公室已向美国专利商标局申请专利以保护该知识产权。

△普渡大学教授 Xinghang Zhang（右）和研究生助理 Anyu Shang 准备使用 SLM125 3D 打印机。图片来源：普渡大学/Anyu Shang。

传统铝合金的缺点

轻质高强度铝合金广泛应用于航空航天、汽车制造等行业。Shang说：“然而，大多数商用高强度铝合金不能用于增材制造。它们极易产生热裂纹，从而产生缺陷，导致金属合金劣化。”

减轻增材制造过程中热裂的一种传统方法是引入纳米颗粒，通过阻碍位错运动来强化铝合金。Wang教授表示：“但这些合金达到的最高强度在 300 至 500MPa之间，远低于钢所能达到的 600 至 1,000 MPa强度。在生产同时具有有益的较大塑性变形能力的高强度铝合金方面取得的成功有限。”

研究团队的实验方法及其验证结果

普渡大学的研究人员利用钴、铁、镍和钛等多种过渡金属，生产出了金属间化合物强化的增材制造铝合金。Shang表示这些金属传统上在铝合金制造中基本上是避免使用的。Shang说：“这些金属间化合物的晶体结构对称性较低，在室温下易碎。但我们的方法将过渡金属元素形成纳米级金属间化合物薄片，这些薄片聚集成细小的玫瑰花结。纳米层状玫瑰花结可以大大抑制金属间化合物的脆性。”

△背散射扫描电子显微镜 (SEM) 图像显示了使用 300 W 激光打印的 Al92Ti2Fe2Co2Ni2合金的概览微观结构。

Wang说：“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，这会产生显著的压应力，从而提高金属材料的加工硬化能力。使用激光进行增材制造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压板。”

△纳米级金属间化合物的形貌和成分。

研究团队对普渡大学研制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。尚教授说：“宏观试验中，该合金表现出显著的塑性变形能力和高强度，强度超过900兆帕。微柱试验在所有区域都表现出明显的压应力，某些区域的流动应力甚至超过千兆帕。”变形后分析显示，除了铝合金基体中丰富的位错活动外，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堆垛层错。”

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