工程师制造用于增材制造的超强铝合金

Josiah02 · 发表于 2024-7-10 08:21:44

　　普渡大学的材料工程师们创造了一种正在申请专利的工艺，用于开发具有塑性变形能力且适合增材制造的超高强度铝合金。
　　王海燕和张星航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 Basil S. Turner 工程学教授，张是普渡大学材料工程学院教授。材料工程研究生尚安宇是该团队的一员。
　　“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，”张说。“这些合金比传统的合金有改进，要么超强，要么高度可变形，但不能两者兼具。”
　　王和张向普渡大学技术商业化创新办公室披露了这一创新成果，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。
　　该研究已发表在《自然通讯》杂志上。
　　传统铝合金的缺点
　　轻质、高强度的铝合金广泛应用于从航空航天到汽车制造等行业。
　　“然而，大多数商用的高强度铝合金不能用于增材制造，”尚说。“它们极易产生热裂纹，从而产生缺陷，导致金属合金劣化。”
　　缓解增材制造过程中热裂的传统方法是引入粒子，通过阻碍位错运动来强化铝合金。
　　“但这些合金所能达到的最高强度在 300 至 500 兆帕之间，远低于钢所能达到的强度（通常为 600 至 1,000 兆帕），”王先生说。“在生产同时具有良好塑性变形能力的高强度铝合金方面取得的成功有限。”
　　普渡大学教授 Xinghang Zhang（右）和研究生助理 Anyu Shang 准备在普渡大学 Discovery Park District 的 Flex Lab 使用 3D 打印机。张教授和普渡大学 Basil S. Turner 工程学教授 Haiyan Wang 开发了一种制造超高强度铝合金的方法，这种铝合金还具有很高的塑性变形能力。他们的研究成果发表在《自然通讯》上。
　　方法及其验证
　　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添加剂铝合金。尚说，传统上在铝合金制造中，这些金属基本上是避免使用的。
　　“这些金属间化合物的晶体结构对称性较低，并且在室温下很脆，”尚说。
　　“但我们的方法将过渡金属元素形成纳米级的金属间化合物薄片，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。”
　　王教授表示：“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，这会产生显著的背应力，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。”
　　研究团队对普渡大学研制的铝合金进行了宏观压缩试验、微柱压缩试验和后变形分析。
　　“在宏观测试中，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。微柱测试显示所有区域都存在显著的背应力，某些区域的流动应力超过 1 千兆帕，”尚说。
　　“变形后分析表明，除了铝合金基体中丰富的位错活动外，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堆垛层错。”

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