PNLL開(kāi)發(fā)固相合金化工藝，可將金屬?gòu)U料升級(jí)改造為3D打印高價(jià)值合金

2025年1月1日,，南極熊獲悉，美國(guó)能源部太平洋西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室 (PNLL) 的研究人員宣布開(kāi)發(fā)出一種“固相合金化”工藝，可以將金屬?gòu)U料直接轉(zhuǎn)化為適合多種制造形式(包括 WAAM)的高性能,、高價(jià)值合金,，而無(wú)需傳統(tǒng)的熔化流程。

這項(xiàng)研究的成果最近以題為“Upcycled high-strengthaluminum alloys from scrap through solid-phase alloying”發(fā)表在《自然通訊》雜志上,。

相關(guān)論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-53062-2

研究表明,，工業(yè)廢料中的廢鋁可以生產(chǎn)出高性能金屬合金。再循環(huán)的鋁的性能與原鋁生產(chǎn)的相同材料相當(dāng)——這表明這種方法可以提供一種低成本的途徑,，將更多高質(zhì)量的再生金屬產(chǎn)品推向市場(chǎng),。通過(guò)將廢物轉(zhuǎn)化為高性能鋁產(chǎn)品，新方法不僅可以提高材料性能,，還可以促進(jìn)環(huán)境可持續(xù)性,。

PNNL 材料科學(xué)家、這項(xiàng)研究的主要作者Xiao說(shuō)：“我們這項(xiàng)研究的創(chuàng)新之處在于,，通過(guò)在鋁屑混合物中添加精確數(shù)量的金屬元素作為前體,，可以將其從低成本廢物轉(zhuǎn)化為高成本產(chǎn)品。我們只需一步就能完成這一操作,，所有合金在五分鐘或更短的時(shí)間內(nèi)完成,。”

創(chuàng)新的固相合金工藝可在幾分鐘內(nèi)將鋁廢料與銅,、鋅和鎂混合轉(zhuǎn)化為精確設(shè)計(jì)的高強(qiáng)度鋁合金產(chǎn)品,，而使用傳統(tǒng)的熔煉、鑄造和擠壓生產(chǎn)相同產(chǎn)品則需要幾天時(shí)間,。研究團(tuán)隊(duì)使用 PNNL 專利技術(shù)“剪切輔助加工和擠壓”（ShAPE）來(lái)實(shí)現(xiàn)他們的研究成果,。然而，研究人員指出,，這些發(fā)現(xiàn)應(yīng)該可以通過(guò)其他固相制造工藝重現(xiàn),。

在 ShAPE 工藝中，高速旋轉(zhuǎn)的模具產(chǎn)生摩擦和熱量,，將大塊的起始成分分散成均勻的合金,，其特性與新制造的鋁鍛造產(chǎn)品相同。固相方法消除了能源密集型批量熔煉的需要,，再加上來(lái)自廢料的低成本原料,，有可能大幅降低制造這些材料的成本。對(duì)于消費(fèi)者來(lái)說(shuō),，這意味著回收的鋁產(chǎn)品將具有更長(zhǎng)的使用壽命和更好的性能,，而且成本更低，無(wú)論是汽車,、建筑材料還是家用電器的部件,。

研究團(tuán)隊(duì)使用機(jī)械測(cè)試和先進(jìn)的成像技術(shù)來(lái)檢查固相合金化生產(chǎn)的升級(jí)材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu),。他們的結(jié)果表明，ShAPE 升級(jí)合金在原子水平上賦予了獨(dú)特的納米結(jié)構(gòu),。在 ShAPE 過(guò)程中,，合金內(nèi)部會(huì)形成原子級(jí)特征，稱為 Guinier-Preston 區(qū),。眾所周知,，這些特征可以提高金屬合金的強(qiáng)度。與傳統(tǒng)的再生鋁相比,，升級(jí)合金的強(qiáng)度提高了 200%，極限抗拉強(qiáng)度也提高了,。這些特性可以為消費(fèi)者帶來(lái)更耐用,、性能更好的產(chǎn)品。

西北太平洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室能源與環(huán)境首席科學(xué)技術(shù)官,、這項(xiàng)研究的合著者辛迪·鮑威爾(Cindy Powell) 表示：“我們能夠?qū)�廢料再利用的能力令人興奮,，但這項(xiàng)研究最讓我興奮的是，固相合金化不僅限于鋁合金和垃圾原料,。固相合金化在理論上適用于任何你能想到的金屬組合,，而制造完全在固態(tài)進(jìn)行這一事實(shí)意味著你可以開(kāi)始考慮我們以前無(wú)法制造的全新合金�,！�

固相合金化工藝可用于為各種 3D打印技術(shù)創(chuàng)建定制金屬絲合金,。例如，線弧增材制造 (WAAM)用于 3D 打印或修復(fù)金屬部件,。

Xiao說(shuō)：“對(duì)于基于線材的增材制造來(lái)說(shuō),，很難獲得具有定制成分的進(jìn)料絲。固相合金化是一種生產(chǎn)具有精確成分（如 2% 銅或 5% 銅）的定制合金的絕佳方法,�,！�

這項(xiàng)研究由 PNNL 實(shí)驗(yàn)室指導(dǎo)研究與開(kāi)發(fā)項(xiàng)目資助，屬于固相處理科學(xué)計(jì)劃的一部分,。PNNL 研究人員 Tianhao Wang,、Zehao Li、Tingkun Liu,、Xiang Wang,、Arun Devaraj、Cindy Powell 和 Jorge F. dos Santos 也參與了這項(xiàng)研究,。