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《美国研发高延展性3D打印铝合金技术加速装备轻量化发展》

  • 来源专题：先进材料
  • 编译者： 李丹
  • 发布时间：2025-09-15

  • 转自全球技术地图

    据国防科技要闻9月12日消息，卡内基梅隆大学研究团队利用集成计算材料工程分析3D打印铝合金微观结构和损伤机制，优化合金成分，研发出新型3D打印铝合金。这种新型铝合金3D打印成品的延展性提高20倍，强度仅损失约25%，达到279兆帕，即使在400℃热处理48小时后，强度仍保持不变，展现出良好的结构承载能力和热稳定性。该技术解决了传统3D打印铝合金因存在加工缺陷而导致的延展性不足问题，有望扩大3D打印铝合金在车辆与航空航天装备大型结构件和高温组件中的应用，取代更重、更昂贵的钛合金、镍合金和钢材，加速装备轻量化发展。

  • 原文来源：https://mp.weixin.qq.com/s/p54rT6tWdNWn05317GmrGw
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  • 《香港研发高强度/高延展性金属间合金》
    • 来源专题：中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者：冯瑞华
    • 发布时间：2020-08-28
    • 在高温环境下，金属间合金可能强度很高，但是在室温和低温环境中，其延展性就会很差，限制其应用于航空航天和其他工程领域。不过，据外媒报道，中国香港城市大学（City University of Hong Kong）领导的一个研究小组最近发现，在有序金属间合金晶界处存在无序的纳米层。此类纳米层不仅能够有效解决强度和延展性之间的矛盾，还能够在高温条件下，让合金保持强度以及良好的热稳定性。设计类似的纳米层有可能为设计出具有最佳合金性能的新型结构材料开辟一条道路。 黑科技，前瞻技术，金属间合金,合金,汽车合金 （图片来源：香港城市大学） 与金属一样，金属间合金的内部结构由称为“晶粒”的单晶体构成。金属间合金通常很脆，源于在拉伸变形时，会沿着晶界出现裂纹。在金属间合金中加入硼元素是克服其脆性的传统方法之一。研究人员之一的刘教授在30年前发现，在二元金属间合金（由两种元素构成）中加入硼，可以增强晶界内聚性，从而提升整体的延展性。 近年来，刘教授在研发大块金属间合金（也称为超晶格合金，具有长程原子紧密排列的有序结构）方面也取得了许多重大进展。此类材料的强度很高，可应用于高温结构应用，但在室温条件下通常非常脆以及晶粒会快速粗化（即晶粒尺寸增长），而在高温下晶粒又会快速软化。在此次研究中，刘教授和他的团队在多元素金属间合金中研发了新型“界面纳米无序化”策略，使其在室温下具有高强度、高延展度以及在高温下具有极佳的热稳定性。 另一名研究人员表示：“最开始，我们试图通过优化硼的含量来提高晶界的内聚性，并且预计，当增加硼的含量时，合金会由于其多元素成分而保持超高强度。” 根据传统观点，加入微量（0.1至0.5%）硼原子可增加晶界内聚性，显著提高合金的拉伸延展性。但当加入过量的硼时，此种方法就不会有效果了。 令研究小组惊讶的是，当硼的浓度高达1.5%至2.5%时，掺杂了硼的合金变得非常坚固，但是延展性很好。实验结果证明，含量为2%左右的硼对金属间合金有很好的作用，让其在室温下的屈服强度高达1.6兆帕，延展性达25%。 该研究小组采用不同的透射电子显微镜进行研究发现，当硼的浓度达到1.5%至2.5%，相邻有序晶粒之间形成了独特的纳米层。每个晶粒都被大约5纳米厚的超薄纳米层包裹，而且纳米层本身就有无序的原子结构。在拉伸试验中，纳米层作为相邻晶粒之间的缓冲带，让晶界发生塑性变形，从而在超高屈服强度下实现了较大的拉伸延展性。 该研究小组发现，硼含量的增加进一步增强了“多元素共分离”（multi-element co-segregation）现象，即多种元素沿着晶界分界。在香港城市大学先进3D原子探针层析成像技术的帮助下，研究人员在纳米层中观察到高浓度的硼、铁和钴原子。相比之下，镍、铝和钛基本都被耗尽了。因此，此种独特的元素分界导致纳米层内部出现纳米级无序化，有效抑制了沿着晶界产生的裂缝，提升了合金的延展性。 此外，在评估合金的热响应能力时，该研究小组发现即使在1050°C的高温下退火120个小时后，晶粒增加的尺寸也可忽略不计。这一点让研究小组特别惊讶，因为大多数结构材料在高温下，其晶粒尺寸通常都会快速增长，导致强度迅速下降。 研究人员认为，在纳米层抑制晶粒尺寸增长以及保证其在高温下的强度非常关键，无序纳米层的热稳定性可让合金适合高温结构应用。 刘教授表示：“在此种合金中发现无序纳米层将对未来高强度材料的发展产生重大影响。而且，此种方法可用于高温环境下的结构材料，如航空航天、汽车、核能和化学工程等领域的结构材料。”
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  • 《美国研发新型3D打印工艺》
    • 来源专题：中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者：冯瑞华
    • 发布时间：2020-09-11
    • 增材制造或称3D打印会采用数字化制造工艺，生产既轻又坚固的部件，而且无需采用特殊模具进行生产。在过去十年间，3D打印以每年超20%的增长率快速增长，用金属和工程聚合物打印出飞机部件、汽车部件、医疗和牙科植入物等各种部件。其中，选择性激光烧结(SLS)是最常用的制造工艺之一，可以利用激光将微米大小的材料粉末打印出部件：激光将颗粒加热至一定的温度，再熔合成固体。 据外媒报道，美国哥伦比亚大学工程和应用科学学院(Columbia University School of Engineering and Applied Science)创新(机械工程)系James和Sally Scapa教授Hod Lipson表示：“增材制造是经济恢复的关键，但问题是，SLS技术一次只能打印一种材料：整个部件都由一种粉末制成。那么，有多少产品是仅由一种材料制成的呢？这一点限制了该工艺的发展。” 为了解决这一挑战，Lipson与其手下的博士生John Whitehead利用在机器人技术方面的专业知识研发了一种新方法以克服SLS技术的局限性。通过将激光倒置，让其指向上方，研究人员研发了一种方法，让SLS技术可以同时使用多种材料生产部件。 一般而言，选择性激光烧结(SLS)技术会采用一个指向下方加热打印床的激光，将材料颗粒熔合在一起。一个固体打印物就是由下至上打印而成的，打印机上均匀地放一层粉末，并利用激光选择性地熔合这一层粉末中的一些材料。然后，打印机在第一层上沉积第二层粉末，激光将新材料熔合到前一层的材料上，持续这一过程直到完成部件。 如果在打印时只采用一种材料，SLS工艺会效果很好。但是在单次打印中采用多种材料极具挑战性，因为一旦粉末层沉积在打印床上，就不能被移开，或者被另一种粉末取代。 此外，在标准的打印机中，因为每一层放置的材料都是一样的，未熔合在一起的材料会让人看不清正在打印的物体，直到打印循环结束移开完成打印的部件才能看到。这也意味着，在打印完成之前，并不一定能够发现打印失败了，从而会浪费时间和金钱。 研究人员决定找到一种完全不需要粉末打印床的方法。他们设置了多个透明的玻璃板，在每个板上都涂有一层薄薄的不同类型的塑料粉末。然后，将一个打印平台放在其中一种粉末表面上方，引导一束激光从底面向上穿过底部。该工艺根据虚拟蓝图，可以选择性地将打印平台上的一些粉末以预先编程好的模式烧结。然后，该平台被熔融材料抬高，移到另一个涂有不同粉末的平板上，再重复这一过程。整个工艺可以让不同的材料要么合并成一层，要么堆叠在一起。与此同时，旧的、用过的平板又不断被填满粉末。 研究人员展示了其打印的产品原型，用平均层高43.6微米的热塑性聚氨酯(TPU)粉末打造了一个50层厚、2.18毫米的样品，还用平均层高71微米的多材料尼龙和TPU打印出部件。此类部件既证明了该工艺的可行性，也证明了在烧结过程中通过向悬挂部件挤压平板，可以打造出更坚固、更致密的材料。 现在，研究人员还在利用金属粉末和树脂进行实验，以便直接制成比用SLS系统制成的种类更多的机械、电气和化学部件。
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