近日，普渡大学的材料工程师团队新开发出一种创新工艺，成功造出适用于增材制造（3D 打印）的超高强度铝合金。此工艺借助纳米级、层状的可变形金属间化合物，把钴、铁、镍和钛等过渡金属引入铝中，进而研制出一种既拥有高强度，又具备良好塑性变形能力的新型铝合金。
这次研究由普渡大学材料工程学院的王海燕教授和张星航教授主导，团队成员包含材料科学专业的研究生尚安宇。相关研究成果在《自然通讯》杂志上发表，得到了美国国家科学基金会和美国海军研究办公室的支持。而且，这项创新成果已向美国专利商标局申请专利，以保护其知识产权。
轻质高强度铝合金在各个行业应用广泛，然而大多数市面上的高强度铝合金容易受热裂影响，不适合用于增材制造。传统上，通过引入粒子来阻碍位错运动来增强铝合金的强度，可这种方法能达到的最高强度仅在 300 至 500 兆帕之间，远远低于钢的 600 至 1000 兆帕。另外，在实现高强度与良好塑性变形能力方面，传统铝合金的成果有限。
1、普渡大学的方法及其验证
普渡大学的研究人员把钴、铁、镍和钛等过渡金属形成纳米级金属间化合物薄片，并聚集成细小的玫瑰花结，极大地抑制了金属间化合物的脆性。
“这些金属间化合物的晶体结构对称性低，在室温下易碎，”普渡大学的研究负责人尚说道。“但我们的办法是让过渡金属元素形成纳米级金属间化合物薄片，再聚集成细小的玫瑰花结。纳米层状玫瑰花结能够大幅抑制金属间化合物的脆性。”
王教授补充说：“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，这会产生显著的背应力，从而提升金属材料的加工硬化能力。使用激光进行增材制造能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。”
研究团队对开发的铝合金开展了多项测试，涵盖宏观压缩试验、微柱压缩试验和后变形分析。测试结果表明，该铝合金在宏观测试中展现出明显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。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。
普渡大学团队的这一创新工艺，成功把多种过渡金属引入铝合金，大幅提升了材料的强度和塑性变形能力。这一突破将为各行业应用高强度铝合金开辟宽广的前景，特别是在航空航天到汽车制造等行业都会有实际运用。
2、铝合金实际应用场景
这种创新工艺制造出的超高强度铝合金具有广泛的实际应用场景：
在航空航天领域，可用于制造飞机的关键结构部件，如机翼、机身框架等，以减轻飞机重量同时保证结构强度，提高燃油效率和飞行性能。
汽车制造行业中，可以用于生产汽车的轻量化零部件，如发动机缸体、车架等，有助于降低车辆能耗，提升操控性能。
在轨道交通领域，能够应用于制造高速列车的车体和关键部件，增强列车的运行稳定性和安全性。
在国防军工领域，可用于制造武器装备的结构件，提高装备的性能和可靠性。
在高端机械制造领域，如精密机床的关键部件，能够提高设备的精度和耐用性。
在电子设备领域，可用于制造轻薄但坚固的外壳，提供良好的防护性能。
在体育器材方面，例如高性能自行车、登山装备等，能在保证强度的前提下减轻重量，提升使用者的体验。
总之，这种新型铝合金的优异性能使其在众多对材料强度和轻量化要求较高的领域都具有巨大的应用潜力。
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来源：贤集网
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