超強(qiáng)鋁合金驚艷登場(chǎng)：過(guò)渡金屬加持，各行業(yè)迎來(lái)新機(jī)遇
核心提示：近日，普渡大學(xué)的材料工程師團(tuán)隊(duì)新開(kāi)發(fā)出一種創(chuàng)新工藝，成功造出適用于增材制造（3D 打印）的超高強(qiáng)度鋁合金。此工藝借助納米級(jí)
近日，普渡大學(xué)的材料工程師團(tuán)隊(duì)新開(kāi)發(fā)出一種創(chuàng)新工藝，成功造出適用于增材制造（3D 打印）的超高強(qiáng)度鋁合金。此工藝借助納米級(jí)、層狀的可變形金屬間化合物，把鈷、鐵、鎳和鈦等過(guò)渡金屬引入鋁中，進(jìn)而研制出一種既擁有高強(qiáng)度，又具備良好塑性變形能力的新型鋁合金。
這次研究由普渡大學(xué)材料工程學(xué)院的王海燕教授和張星航教授主導(dǎo)，團(tuán)隊(duì)成員包含材料科學(xué)專業(yè)的研究生尚安宇。相關(guān)研究成果在《自然通訊》雜志上發(fā)表，得到了美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)和美國(guó)海軍研究辦公室的支持。而且，這項(xiàng)創(chuàng)新成果已向美國(guó)專利商標(biāo)局申請(qǐng)專利，以保護(hù)其知識(shí)產(chǎn)權(quán)。
輕質(zhì)高強(qiáng)度鋁合金在各個(gè)行業(yè)應(yīng)用廣泛，然而大多數(shù)市面上的高強(qiáng)度鋁合金容易受熱裂影響，不適合用于增材制造。傳統(tǒng)上，通過(guò)引入粒子來(lái)阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)來(lái)增強(qiáng)鋁合金的強(qiáng)度，可這種方法能達(dá)到的最高強(qiáng)度僅在 300 至 500 兆帕之間，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于鋼的 600 至 1000 兆帕。另外，在實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度與良好塑性變形能力方面，傳統(tǒng)鋁合金的成果有限。
1、普渡大學(xué)的方法及其驗(yàn)證
普渡大學(xué)的研究人員把鈷、鐵、鎳和鈦等過(guò)渡金屬形成納米級(jí)金屬間化合物薄片，并聚集成細(xì)小的玫瑰花結(jié)，極大地抑制了金屬間化合物的脆性。
“這些金屬間化合物的晶體結(jié)構(gòu)對(duì)稱性低，在室溫下易碎，”普渡大學(xué)的研究負(fù)責(zé)人尚說(shuō)道。“但我們的辦法是讓過(guò)渡金屬元素形成納米級(jí)金屬間化合物薄片，再聚集成細(xì)小的玫瑰花結(jié)。納米層狀玫瑰花結(jié)能夠大幅抑制金屬間化合物的脆性。”
王教授補(bǔ)充說(shuō)：“此外，異質(zhì)微結(jié)構(gòu)包含堅(jiān)硬的納米級(jí)金屬間化合物和粗晶粒鋁基體，這會(huì)產(chǎn)生顯著的背應(yīng)力，從而提升金屬材料的加工硬化能力。使用激光進(jìn)行增材制造能實(shí)現(xiàn)快速熔化和淬火，從而引入納米級(jí)金屬間化合物及其納米層。”
研究團(tuán)隊(duì)對(duì)開(kāi)發(fā)的鋁合金開(kāi)展了多項(xiàng)測(cè)試，涵蓋宏觀壓縮試驗(yàn)、微柱壓縮試驗(yàn)和后變形分析。測(cè)試結(jié)果表明，該鋁合金在宏觀測(cè)試中展現(xiàn)出明顯的塑性變形能力和高強(qiáng)度，強(qiáng)度超過(guò) 900 兆帕。
微柱測(cè)試顯示，所有區(qū)域都存在顯著的背應(yīng)力，某些區(qū)域的流動(dòng)應(yīng)力超過(guò) 1 千兆帕。變形后分析顯示，除了鋁合金基體中豐富的位錯(cuò)活動(dòng)外，單斜 Al9Co2 型脆性金屬間化合物中還形成了復(fù)雜的位錯(cuò)結(jié)構(gòu)和堆垛層錯(cuò)。
普渡大學(xué)團(tuán)隊(duì)的這一創(chuàng)新工藝，成功把多種過(guò)渡金屬引入鋁合金，大幅提升了材料的強(qiáng)度和塑性變形能力。這一突破將為各行業(yè)應(yīng)用高強(qiáng)度鋁合金開(kāi)辟寬廣的前景，特別是在航空航天到汽車制造等行業(yè)都會(huì)有實(shí)際運(yùn)用。
2、鋁合金實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景
這種創(chuàng)新工藝制造出的超高強(qiáng)度鋁合金具有廣泛的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景：
在航空航天領(lǐng)域，可用于制造飛機(jī)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件，如機(jī)翼、機(jī)身框架等，以減輕飛機(jī)重量同時(shí)保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，提高燃油效率和飛行性能。
汽車制造行業(yè)中，可以用于生產(chǎn)汽車的輕量化零部件，如發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、車架等，有助于降低車輛能耗，提升操控性能。
在軌道交通領(lǐng)域，能夠應(yīng)用于制造高速列車的車體和關(guān)鍵部件，增強(qiáng)列車的運(yùn)行穩(wěn)定性和安全性。
在國(guó)防軍工領(lǐng)域，可用于制造武器裝備的結(jié)構(gòu)件，提高裝備的性能和可靠性。
在高端機(jī)械制造領(lǐng)域，如精密機(jī)床的關(guān)鍵部件，能夠提高設(shè)備的精度和耐用性。
在電子設(shè)備領(lǐng)域，可用于制造輕薄但堅(jiān)固的外殼，提供良好的防護(hù)性能。
在體育器材方面，例如高性能自行車、登山裝備等，能在保證強(qiáng)度的前提下減輕重量，提升使用者的體驗(yàn)。
總之，這種新型鋁合金的優(yōu)異性能使其在眾多對(duì)材料強(qiáng)度和輕量化要求較高的領(lǐng)域都具有巨大的應(yīng)用潛力。
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這次研究由普渡大學(xué)材料工程學(xué)院的王海燕教授和張星航教授主導(dǎo)，團(tuán)隊(duì)成員包含材料科學(xué)專業(yè)的研究生尚安宇。相關(guān)研究成果在《自然通訊》雜志上發(fā)表，得到了美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)和美國(guó)海軍研究辦公室的支持。而且，這項(xiàng)創(chuàng)新成果已向美國(guó)專利商標(biāo)局申請(qǐng)專利，以保護(hù)其知識(shí)產(chǎn)權(quán)。
輕質(zhì)高強(qiáng)度鋁合金在各個(gè)行業(yè)應(yīng)用廣泛，然而大多數(shù)市面上的高強(qiáng)度鋁合金容易受熱裂影響，不適合用于增材制造。傳統(tǒng)上，通過(guò)引入粒子來(lái)阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)來(lái)增強(qiáng)鋁合金的強(qiáng)度，可這種方法能達(dá)到的最高強(qiáng)度僅在 300 至 500 兆帕之間，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于鋼的 600 至 1000 兆帕。另外，在實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度與良好塑性變形能力方面，傳統(tǒng)鋁合金的成果有限。
1、普渡大學(xué)的方法及其驗(yàn)證
普渡大學(xué)的研究人員把鈷、鐵、鎳和鈦等過(guò)渡金屬形成納米級(jí)金屬間化合物薄片，并聚集成細(xì)小的玫瑰花結(jié)，極大地抑制了金屬間化合物的脆性。
“這些金屬間化合物的晶體結(jié)構(gòu)對(duì)稱性低，在室溫下易碎，”普渡大學(xué)的研究負(fù)責(zé)人尚說(shuō)道。“但我們的辦法是讓過(guò)渡金屬元素形成納米級(jí)金屬間化合物薄片，再聚集成細(xì)小的玫瑰花結(jié)。納米層狀玫瑰花結(jié)能夠大幅抑制金屬間化合物的脆性。”
王教授補(bǔ)充說(shuō)：“此外，異質(zhì)微結(jié)構(gòu)包含堅(jiān)硬的納米級(jí)金屬間化合物和粗晶粒鋁基體，這會(huì)產(chǎn)生顯著的背應(yīng)力，從而提升金屬材料的加工硬化能力。使用激光進(jìn)行增材制造能實(shí)現(xiàn)快速熔化和淬火，從而引入納米級(jí)金屬間化合物及其納米層。”
研究團(tuán)隊(duì)對(duì)開(kāi)發(fā)的鋁合金開(kāi)展了多項(xiàng)測(cè)試，涵蓋宏觀壓縮試驗(yàn)、微柱壓縮試驗(yàn)和后變形分析。測(cè)試結(jié)果表明，該鋁合金在宏觀測(cè)試中展現(xiàn)出明顯的塑性變形能力和高強(qiáng)度，強(qiáng)度超過(guò) 900 兆帕。
微柱測(cè)試顯示，所有區(qū)域都存在顯著的背應(yīng)力，某些區(qū)域的流動(dòng)應(yīng)力超過(guò) 1 千兆帕。變形后分析顯示，除了鋁合金基體中豐富的位錯(cuò)活動(dòng)外，單斜 Al9Co2 型脆性金屬間化合物中還形成了復(fù)雜的位錯(cuò)結(jié)構(gòu)和堆垛層錯(cuò)。
普渡大學(xué)團(tuán)隊(duì)的這一創(chuàng)新工藝，成功把多種過(guò)渡金屬引入鋁合金，大幅提升了材料的強(qiáng)度和塑性變形能力。這一突破將為各行業(yè)應(yīng)用高強(qiáng)度鋁合金開(kāi)辟寬廣的前景，特別是在航空航天到汽車制造等行業(yè)都會(huì)有實(shí)際運(yùn)用。
2、鋁合金實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景
這種創(chuàng)新工藝制造出的超高強(qiáng)度鋁合金具有廣泛的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景：
在航空航天領(lǐng)域，可用于制造飛機(jī)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件，如機(jī)翼、機(jī)身框架等，以減輕飛機(jī)重量同時(shí)保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，提高燃油效率和飛行性能。
汽車制造行業(yè)中，可以用于生產(chǎn)汽車的輕量化零部件，如發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、車架等，有助于降低車輛能耗，提升操控性能。
在軌道交通領(lǐng)域，能夠應(yīng)用于制造高速列車的車體和關(guān)鍵部件，增強(qiáng)列車的運(yùn)行穩(wěn)定性和安全性。
在國(guó)防軍工領(lǐng)域，可用于制造武器裝備的結(jié)構(gòu)件，提高裝備的性能和可靠性。
在高端機(jī)械制造領(lǐng)域，如精密機(jī)床的關(guān)鍵部件，能夠提高設(shè)備的精度和耐用性。
在電子設(shè)備領(lǐng)域，可用于制造輕薄但堅(jiān)固的外殼，提供良好的防護(hù)性能。
在體育器材方面，例如高性能自行車、登山裝備等，能在保證強(qiáng)度的前提下減輕重量，提升使用者的體驗(yàn)。
總之，這種新型鋁合金的優(yōu)異性能使其在眾多對(duì)材料強(qiáng)度和輕量化要求較高的領(lǐng)域都具有巨大的應(yīng)用潛力。
原文鏈接：https://www.xianjichina.com/special/detail_552185.html
來(lái)源：賢集網(wǎng)
著作權(quán)歸作者所有。商業(yè)轉(zhuǎn)載請(qǐng)聯(lián)系作者獲得授權(quán)，非商業(yè)轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。
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