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2024

强度突破900兆帕！这项新的铝合金研究成果为“以铝代钢”开辟广阔空间

传统合金要么超强，要么高度可变形，但不能两者兼具。论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-48693-4

普渡大学材料工程师团队近期开发出一种创新工艺，成功制造出适合增材制造（3D打印）的超高强度铝合金。该工艺利用纳米级、层状的可变形金属间化合物，将钴、铁、镍和钛等过渡金属引入铝中，从而开发出一种兼具高强度和良好塑性变形能力的新型铝合金。普渡大学教授张星航（右）和研究生助理尚安宇（左），图片来自：普渡大学此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领导，团队成员包括材料科学专业的研究生尚安宇。相关研究成果发表在《自然通讯》杂志上，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。此外，这项创新成果已向美国专L商标局申请专L以保护其知识产权。

▍传统铝合金的局限性

轻质高强度铝合金广泛应用于各个行业，但大多数市售的高强度铝合金由于易受热裂影响，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，从而提高铝合金的强度，但这些方法所能达到的最高强度仅在300至500兆帕之间，远低于钢的600至1,000兆帕。此外，在实现高强度与良好塑性变形能力方面，传统铝合金的成功有限。

▍普渡大学方法及其验证

普渡大学的研究人员通过将钴、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，大大抑制了金属间化合物的脆性。细玫瑰花结区域的变形机制，图片来自：普渡大学“这些金属间化合物的晶体结构对称性较低，在室温下易碎，”普渡大学的研究负责人尚表示。“但我们的方法是将过渡金属元素形成纳米级金属间化合物薄片，然后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。” 纳米级金属间化合物的形貌和成分，图片来自：普渡大学王教授补充道：“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。” 通过该3D打印超高强度铝合金制作的样品，图片来自：普渡大学研究团队对所开发的铝合金进行了多项测试，包括宏观压缩试验、微柱压缩试验和后变形分析。测试结果显示，该铝合金在宏观测试中表现出显著的塑性变形能力和高强度，强度超过900兆帕。微柱压缩试验揭示的微尺度机械性能，图片来自：普渡大学微柱测试表明，所有区域均存在显著的背应力，某些区域的流动应力超过1千兆帕。变形后分析表明，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。