普渡大学开发超高强度铝合金，助力增材制造新突破

普渡大学的材料工程团队开发出一项专利申请中的新工艺，通过引入过渡金属成功制造出适用于增材制造（Additive Manufacturing）的超高强度铝合金。这种新型铝合金在具备超高强度的同时，还表现出卓越的塑性变形能力，为轻量化和高性能材料设计开辟了新的可能性。

传统铝合金的局限性

铝合金因其轻量化和高强度性能，广泛应用于航空航天、汽车等行业。然而，当前商用高强度铝合金在增材制造中面临以下问题：

• 热裂纹问题：铝合金在制造过程中容易发生热裂纹，导致材料内部产生缺陷，显著降低其强度和可靠性。
• 性能瓶颈：传统方法通过引入颗粒增强铝合金，但其强度通常只能达到300至500兆帕（MPa），远低于钢材的600至1000兆帕。
• 塑性不足：许多高强度铝合金无法同时满足塑性变形需求，限制了其应用场景。

普渡大学的创新工艺

此次研究由 Haiyan Wang 和 Xinghang Zhang 领导的团队完成。他们通过引入过渡金属（如钴、铁、镍和钛），创新性地将其转化为可变形的纳米级金属间化合物，并成功制备出适用于增材制造的高性能铝合金。

工艺亮点：

1. 纳米化金属间化合物设计

通过激光增材制造技术，团队采用快速熔融和淬火工艺形成纳米级层状金属间化合物，从而增强合金的强度和塑性。

2. 异质微观结构

研究团队设计了一种由硬质纳米金属间化合物和粗晶铝基体组成的异质结构，显著提升了材料的加工硬化能力。

3. 卓越性能表现

制备出的铝合金在实验中表现出超过900兆帕的高强度，同时具备优异的塑性变形能力，远超传统铝合金。

实验验证与技术优势

研究团队通过一系列实验验证了该铝合金的性能，包括：

• 宏观压缩测试：展现出超高强度（超过900兆帕）和显著的塑性变形能力。
• 微柱压缩测试：揭示了材料内部的复杂位错结构和单斜晶型Al9Co2化合物中的层错结构。
• 后变形分析：证实了异质结构设计在提高强度和变形性能方面的显著作用。

此外，该方法可无缝集成到现有增材制造流程中，无需改变现有设备设置，进一步降低了生产成本。

实际应用与未来展望

这一创新工艺为多个行业的高性能材料开发提供了新的可能性：

• 航空航天：用于制造更轻、更强的结构件，提高飞行器性能。
• 汽车制造：适用于高强度、轻量化的车身和底盘部件。
• 增材制造：推动复杂几何结构的高性能部件生产。

研究团队计划进一步扩展这一工艺的应用范围，例如开发更大尺寸的铝合金零件，并探索其在其他过渡金属合金中的潜力。

Haiyan Wang 表示：“通过精准设计微观结构，我们实现了铝合金在增材制造领域的性能飞跃。未来，我们将继续优化工艺，为工业制造提供更多高性能材料选择。”

此次研究成果已发表在《自然（Nature）》期刊下属子刊《自然通讯（Nature Communications）》上，并已申请美国专利。这项创新不仅为铝合金增材制造设立了新标准，也为多个行业的材料工程带来了颠覆性变革。

参考文献：

[1]Purdue University. Researchers fabricate ultrastrong aluminum alloys for additive manufacturing[EB/OL](2024-07-09). https://www.sciencedaily.com/releases/2024/07/240709121642.htm.