变废为宝：固相制造将铝废料转化为高价值合金

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美国能源部太平洋西北国家实验室研究人员的研究表明，金属废料无需经过传统的熔化工艺即可直接转化升级为高性能、高价值的合金。
这项发表在《自然通讯》上的研究表明，工业废物流中的废铝可以生产高性能金属合金。
升级再造的铝的性能与原铝生产的相同材料相当，表明这种方法可以提供一种低成本途径，将更多高质量的再生金属产品推向市场。
这种称为固相合金的新方法通过将废物转化为高性能铝产品，不仅可以提高材料性能，而且有助于环境可持续性。
“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，你实际上可以将其从低成本废物转化为高成本产品，”西北太平洋国家实验室材料科学家、这项研究的主要作者肖李说。“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就完成了。”
创新的固相合金工艺只需几分钟就能将混合有铜、锌和镁的铝废料转化为精确设计的高强度铝合金产品，而采用传统的熔化、铸造和挤压方法生产同样的产品则需要几天的时间。
研究团队采用了 PNNL 专利技术，即剪切辅助加工和挤压技术（ShAPE），以取得成果。不过，研究人员指出，该成果应该可以与其他固相制造工艺相媲美。
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。
固相法无需耗能的批量熔炼，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。
坚固的金属合金
科学团队利用机械测试和先进的成像技术检查了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，合金内部形成了称为 Guinier-Preston 区的原子级特征。
众所周知，这些特性可以提高金属合金的强度。与传统的再生铝相比，升级后的合金强度提高了 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。
“我们对废料进行升级改造的能力令人兴奋，但这项研究最让我兴奋的是，固相合金不仅限于铝合金和垃圾原料，”西北太平洋国家实验室能源与环境首席科学技术官、这项研究的共同作者辛迪鲍威尔说。
“固相合金在理论上适用于任何你能想象到的金属组合，而制造完全在固态进行的事实意味着你可以开始考虑以前我们无法制造的全新合金。”
李说，固相合金工艺可用于为各种 3D 打印技术制造定制金属丝合金。例如，电弧增材制造（WAAM）可用于 3D 打印或修复金属部件。在此过程中，将一卷金属丝送入机器人焊枪，焊枪将其熔化以构建 3D 部件。
“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，”李说。“固相合金化是一种生产具有精确成分的定制合金的绝佳方法，例如 2％ 的铜或 5％ 的铜。”