PNLL开发固相合金化工艺，可将金属废料升级改造为3D打印高价值合金

2025年1月1日，南极熊获悉，美国能源部太平洋西北国家实验室 (PNLL) 的研究人员宣布开发出一种“固相合金化”工艺，可以将金属废料直接转化为适合多种制造形式(包括 WAAM)的高性能、高价值合金，而无需传统的熔化流程。

这项研究的成果最近以题为“Upcycled high-strengthaluminum alloys from scrap through solid-phase alloying”发表在《自然通讯》杂志上。

相关论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-53062-2

研究表明，工业废料中的废铝可以生产出高性能金属合金。再循环的铝的性能与原铝生产的相同材料相当——这表明这种方法可以提供一种低成本的途径，将更多高质量的再生金属产品推向市场。通过将废物转化为高性能铝产品，新方法不仅可以提高材料性能，还可以促进环境可持续性。

PNNL 材料科学家、这项研究的主要作者Xiao说：“我们这项研究的创新之处在于，通过在铝屑混合物中添加精确数量的金属元素作为前体，可以将其从低成本废物转化为高成本产品。我们只需一步就能完成这一操作，所有合金在五分钟或更短的时间内完成。”

创新的固相合金工艺可在几分钟内将铝废料与铜、锌和镁混合转化为精确设计的高强度铝合金产品，而使用传统的熔炼、铸造和挤压生产相同产品则需要几天时间。研究团队使用 PNNL 专利技术“剪切辅助加工和挤压”（ShAPE）来实现他们的研究成果。然而，研究人员指出，这些发现应该可以通过其他固相制造工艺重现。

在 ShAPE 工艺中，高速旋转的模具产生摩擦和热量，将大块的起始成分分散成均匀的合金，其特性与新制造的铝锻造产品相同。固相方法消除了能源密集型批量熔炼的需要，再加上来自废料的低成本原料，有可能大幅降低制造这些材料的成本。对于消费者来说，这意味着回收的铝产品将具有更长的使用寿命和更好的性能，而且成本更低，无论是汽车、建筑材料还是家用电器的部件。

研究团队使用机械测试和先进的成像技术来检查固相合金化生产的升级材料的内部结构。他们的结果表明，ShAPE 升级合金在原子水平上赋予了独特的纳米结构。在 ShAPE 过程中，合金内部会形成原子级特征，称为 Guinier-Preston 区。众所周知，这些特征可以提高金属合金的强度。与传统的再生铝相比，升级合金的强度提高了 200%，极限抗拉强度也提高了。这些特性可以为消费者带来更耐用、性能更好的产品。

西北太平洋国家实验室能源与环境首席科学技术官、这项研究的合著者辛迪·鲍威尔(Cindy Powell) 表示：“我们能够将废料再利用的能力令人兴奋，但这项研究最让我兴奋的是，固相合金化不仅限于铝合金和垃圾原料。固相合金化在理论上适用于任何你能想到的金属组合，而制造完全在固态进行这一事实意味着你可以开始考虑我们以前无法制造的全新合金。”

固相合金化工艺可用于为各种 3D打印技术创建定制金属丝合金。例如，线弧增材制造 (WAAM)用于 3D 打印或修复金属部件。

Xiao说：“对于基于线材的增材制造来说，很难获得具有定制成分的进料丝。固相合金化是一种生产具有精确成分（如 2% 铜或 5% 铜）的定制合金的绝佳方法。”

这项研究由 PNNL 实验室指导研究与开发项目资助，属于固相处理科学计划的一部分。PNNL 研究人员 Tianhao Wang、Zehao Li、Tingkun Liu、Xiang Wang、Arun Devaraj、Cindy Powell 和 Jorge F. dos Santos 也参与了这项研究。