鋁被認(rèn)為是一種高度多用途的材料，主要因其輕質(zhì)且堅固的特性。然而，當(dāng)高溫下，其機(jī)械性能會顯著下降。這一限制在航空航天和汽車應(yīng)用領(lǐng)域帶來了不利，因?yàn)闇u輪機(jī)和發(fā)動機(jī)等部件需要熱阻。

為解決這一問題，日本名古屋大學(xué)的研究人員利用金屬3D打印開發(fā)了一系列新型鋁合金，優(yōu)化了更高的機(jī)械強(qiáng)度和耐熱性。所有新合金均采用低成本、易得的元素，且可回收利用。此外，其中一種變體在高達(dá)300°C的溫度下仍能保持強(qiáng)度和靈活性。 這項(xiàng)研究最近發(fā)表在《自然通訊》上。

超越傳統(tǒng)，創(chuàng)造“完美合金”

研究人員開發(fā)了一種系統(tǒng)方法，預(yù)測哪些元素會增強(qiáng)鋁基體，哪些會形成保護(hù)性的微或納米結(jié)構(gòu)。他們通過制造含銅、錳和鈦的新合金驗(yàn)證了這些預(yù)測，隨后用電子顯微鏡確認(rèn)了結(jié)果。

性能最好的合金包括鋁、鐵、錳和鈦。它在室溫下兼具高溫強(qiáng)度和柔韌性，性能優(yōu)于所有其他3D打印鋁材料。

名古屋大學(xué)工程研究生院首席作者兼教授高田直樹解釋道：“該設(shè)計以鐵為核心，而冶金學(xué)家通常不會在鋁中添加鐵，因?yàn)殍F會使金屬變脆且易腐蝕。”

上圖展示了3D打印如何在不同微觀尺度上改變鋁合金的結(jié)構(gòu)。以下過程可從上而下可見：層層熔煉和凝固過程、決定機(jī)械強(qiáng)度的內(nèi)部晶粒組織，以及材料內(nèi)部及邊緣微觀顆粒的分布，這些都是影響材料在載荷和高溫下行為的關(guān)鍵因素。

用3D打印重新設(shè)計鋁內(nèi)部結(jié)構(gòu)

這一突破來自激光粉末床聚變技術(shù)。正如高田直樹教授所解釋的，這項(xiàng)技術(shù)可以將鐵和其他元素“困”在亞穩(wěn)態(tài)中，這是傳統(tǒng)生產(chǎn)方法無法實(shí)現(xiàn)的。得益于系統(tǒng)設(shè)計方法，研究團(tuán)隊識別出能夠強(qiáng)化鋁基體并創(chuàng)建保護(hù)性微納米結(jié)構(gòu)的元素，提升強(qiáng)度和耐熱性，同時不影響打印性能。

新開發(fā)的合金基于鋁和鐵，富含銅、錳和鈦，兼具輕量、高機(jī)械強(qiáng)度和高溫穩(wěn)定性。該設(shè)計使加入的元件能夠加固金屬內(nèi)部結(jié)構(gòu)并提升延展性，從而生產(chǎn)出性能更高、更耐用的部件。此外，所有合金都采用低成本、可回收材料，使該方案不僅技術(shù)先進(jìn)，也具有環(huán)保可持續(xù)性。

高田教授還指出：“我們的方法依賴于關(guān)于3D打印中元素快速凝固行為的既定科學(xué)原理，并適用于其他金屬。這些合金也比傳統(tǒng)高強(qiáng)度鋁更容易3D打印，后者在制造過程中經(jīng)常出現(xiàn)裂紋或變形。”

更輕的車輛，降低排放

它們成功的秘訣在于對微觀結(jié)構(gòu)的精確控制：某些亞穩(wěn)態(tài)相增強(qiáng)了金屬，而鈦則促進(jìn)了更細(xì)顆粒和更高的延展性。研究人員表示，這一創(chuàng)新有望為汽車和航空航天零部件開辟新可能，將高性能與環(huán)境可持續(xù)性相結(jié)合。

這些新材料可能使得用于高溫運(yùn)行的部件（如壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子和渦輪組件）制造輕質(zhì)鋁制部件成為可能。

航空航天行業(yè)也可能受益，因?yàn)轱w機(jī)發(fā)動機(jī)需要兼具輕量和耐熱性的材料。最后，研究為專門設(shè)計3D打印的新型金屬提供了框架，有望加速各工業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展。

所有照片來源：名古屋大學(xué)

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