九游官網(wǎng)app3D打印技術(shù)參考注意到，美國能源部太平洋西北國家實(shí)驗(yàn)室（Pacific Northwe st National Laboratory，簡稱PNNL）近日的一項(xiàng)研究提出，金屬廢料可無需經(jīng)過傳統(tǒng)的熔煉過程，就可以直接轉(zhuǎn)化為高性能、高價(jià)值的合金，而且該技術(shù)可為電弧和攪拌摩擦等3D打印技術(shù)定制金屬線材。

　　這項(xiàng)研究近日以“Upcycled high-strength aluminum alloys from scrap through solid-phase alloying”為題于12月10日發(fā)表在《自然·通訊》。PNNL團(tuán)隊(duì)以鋁為研究對象，開發(fā)了一種固相回收和同時(shí)合金化的方法。這種創(chuàng)新工藝使6063鋁合金廢料與銅、鋅和鎂合金化，形成納米團(tuán)簇強(qiáng)化高性能鋁合金，其成分和性能類似于7075鋁合金。獨(dú)特的納米結(jié)構(gòu)具有高密度的Guinier-Preston區(qū)和均勻沉淀的納米級 η/Mg(CuZn) 2強(qiáng)化相，可將產(chǎn)量和極限抗拉強(qiáng)度提高200%以上。

　　a.摩擦擠壓回收和升級再造中使用的鋁廢料和合金添加劑，從上到下依次為：6063 鋁廢料、銅粉、鋅粉和ZK60鎂合金帶；b.僅由冷壓6063鋁廢料制成的回收鋁棒；c由6063鋁廢料和合金添加劑混合物制成的升級再造鋁棒；d.EBSD-IPF顯示回收鋁棒的晶粒形貌；e.EBSD-IPF顯示升級再造鋁棒的晶粒形貌

　　鋁是全球使用最廣泛的有色金屬，在原鋁生產(chǎn)過程中會排放大量的二氧化碳。 與原鋁生產(chǎn)相比，使用100%廢鋁原料理論上可以減少高達(dá)95%的能源和碳排放。 然而，這種程度的環(huán)境影響實(shí)際上并未帶來多大改變，這是因?yàn)閺U料中不可避免地含有不良雜質(zhì)，需要在“凈化和稀釋”的過程中添加原鋁。 此外，傳統(tǒng)的回收生產(chǎn)再生鋁涉及許多能源密集型步驟。 對原鋁添加的依賴，加上對高溫熔化和其他加工步驟的要求，導(dǎo)致再生產(chǎn)品仍然具有相對較高的能耗。

　　摩擦擠壓技術(shù)由英國焊接研究所于1993年發(fā)明，是一種固相擠壓技術(shù)，最初用于制造金屬基復(fù)合材料。 近年來，它已成為一種很有前途的鋁廢料回收方法，由于其加工溫度較低和步驟較少，與傳統(tǒng)工藝相比具有潛在的能源效率優(yōu)勢。 摩擦擠壓的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是能夠快速分解異質(zhì)原料，然后在加工過程中將其與基體材料混合并均質(zhì)化，使其成為制造具有均勻分散的第二相的復(fù)合材料的可擴(kuò)展選項(xiàng)。

　　鋁生命周期和升級再造工作流程：a.傳統(tǒng)二次鋁回收和制造路線；b.固相處理通過摩擦擠壓直接將廢料回收或升級為線材

　　PNNL報(bào)告了摩擦擠壓作為一種可行的固相合金化方法，可通過一個(gè)步驟將鋁廢料直接升級為高性能鋁鍛造擠壓材，且碳足跡要低得多。對于升級再造，首先將6063鋁廢料和合金源——銅粉、鋅粉和ZK60鎂帶——物理混合，然后進(jìn)行摩擦擠壓，從而無需進(jìn)行批量熔化即可將合金元素?fù)饺脘X基體。摩擦擠壓工藝的熱機(jī)械性質(zhì)導(dǎo)致在擠壓產(chǎn)品中產(chǎn)生細(xì)粒鋁微觀結(jié)構(gòu)和高密度的強(qiáng)化納米團(tuán)簇。這種固相工藝允許將鋁廢料升級為高性能鋁產(chǎn)品，而無需添加原鋁或進(jìn)行熔化，因此有可能顯著減少碳排放。

　　通過回收升級，這種鋁的性能與用原生鋁生產(chǎn)的相同材料不相上下，這表明這種方法可以為市場提供更多高質(zhì)量回收金屬產(chǎn)品，同時(shí)降低成本。

　　PNNL材料科學(xué)家、該研究的主要作者Li Xiao表示：“我們工作的新穎之處在于，通過將精確量的金屬元素與鋁（作為前驅(qū)體） 混合，可以將其從低成本的廢料轉(zhuǎn)化為高成本的產(chǎn)品。而且我們只需一步就能完成這個(gè)轉(zhuǎn)化，所有材料在五分鐘或更短的時(shí)間內(nèi)就能合金化?！?

　　研究團(tuán)隊(duì)將這項(xiàng)技術(shù)稱之為SHAPE工藝，與利用傳統(tǒng)熔煉、鑄造和擠壓工藝生產(chǎn)相同產(chǎn)品需要數(shù)天時(shí)間相比，這種創(chuàng)新的固相合金化工藝能在幾分鐘內(nèi)將混合銅、鋅和鎂的鋁廢料轉(zhuǎn)化為精心設(shè)計(jì)的高強(qiáng)度鋁合金產(chǎn)品。 高速旋轉(zhuǎn)的模具產(chǎn)生摩擦和熱量，使塊狀原料分散成具有與新制造的鋁鍛件產(chǎn)品相同特性的均勻合金。

　　科研團(tuán)隊(duì)采用機(jī)械測試和先進(jìn)成像技術(shù)，檢查了通過固相合金化回收的材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明，ShAPE回收合金在原子層面形成了獨(dú)特的納米結(jié)構(gòu)。在ShAPE工藝中，合金內(nèi)部會形成稱為Guinier-Preston區(qū)的原子級特征。

　　摩擦擠壓樣品的應(yīng)力-應(yīng)變曲線：回收鋁棒和升級再造鋁棒，與商用鍛造6063鋁合金相比

　　眾所周知，這些特征能夠增強(qiáng)金屬合金的強(qiáng)度。與傳統(tǒng)回收鋁相比，回收合金的強(qiáng)度提高了200%，并且極限抗拉強(qiáng)度也有所增加。這些特性意味著消費(fèi)者將獲得更耐用、性能更好的產(chǎn)品。

　　高性能鋁合金結(jié)構(gòu)件尤其是大型整體鋁合金主承力結(jié)構(gòu)件仍然是減輕飛行器結(jié)構(gòu)重量、提高運(yùn)載能力和飛行速度的重要技術(shù)途徑之一。因此高性能鋁合金的材料制備和零件制造新工藝、新方法始終是研究的熱點(diǎn)。

　　PNNL研究團(tuán)隊(duì)指出，對3D打印的金屬線材定制成本并不容易，而固相合金化是生產(chǎn)具有確切成分（如2%銅或5%銅）定制合金的絕佳方法。這項(xiàng)技術(shù)因此可以為多種3D打印技術(shù)制造定制金屬線材合金。例如，線弧增材制造和攪拌摩擦增材制造技術(shù)。

　　據(jù)3D打印技術(shù)參考了解，哈工大黃永憲教授團(tuán)隊(duì)開發(fā)出了一種連續(xù)絲材攪拌摩擦增材制造技術(shù)引發(fā)了國內(nèi)外廣泛關(guān)注。該技術(shù) 通過連續(xù)進(jìn)給絲材可實(shí)現(xiàn)大型金屬結(jié)構(gòu)的固相增材制造成形。

　　3D打印技術(shù)參考注意到，哈工大團(tuán)隊(duì)基于這項(xiàng)技術(shù)，于2024年實(shí)現(xiàn)了3米級大型鋁合金帶筋壁板全固相連續(xù)增材制造，為固相增材制造技術(shù)在大型民航客機(jī)、戰(zhàn)斗機(jī)等產(chǎn)品上的應(yīng)用提供了關(guān)鍵技術(shù)支撐。

　　電弧增材制造技術(shù)正在被國內(nèi)外航天領(lǐng)域加速使用。 2023年3月，全球首枚3D打印技術(shù)制造的火箭 Terran 1成功發(fā)射， 首次向全世界展示了其全3D打印的火箭可以承受最惡劣的軌道發(fā)射條件。 Relativity所開發(fā)的Stargate工業(yè)機(jī)器人3D打印機(jī)，其末端執(zhí)行器采用了電弧和激光沉積技術(shù)，并采用鋁合金材料打印

　　2023年4月19日，首都航天機(jī)械有限公司發(fā)文指出，公司電弧增材制造技術(shù)獲評中國航天科技集團(tuán)2022年度十大技術(shù)突破，并已經(jīng)使用該技術(shù)進(jìn)行了火箭產(chǎn)品的制造 。，其鋁合金電弧增材制造技術(shù)為夢天艙和長五B的研制提供了重要技術(shù)。

　　當(dāng)前鋁合金增材制造正在加速得到應(yīng)用，電弧和攪拌摩擦增材制造技術(shù)，已成為大型鋁合金構(gòu)件直接制造的關(guān)鍵3D打印工藝，被世界航天和軍事大國廣泛關(guān)注。同時(shí)，材料也是關(guān)鍵一環(huán)。

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