美國(guó)能源部太平洋西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Pacific Northwest National Laboratory）研究人員開展一項(xiàng)新研究，無(wú)需使用傳統(tǒng)熔煉工藝，即可將金屬?gòu)U料直接轉(zhuǎn)化升級(jí)為高性能、高價(jià)值的合金。
（圖片來(lái)源：太平洋西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室）
這項(xiàng)研究表明，工業(yè)流中的廢鋁可用于生產(chǎn)高性能金屬合金。這些升級(jí)再造鋁的性能與利用原鋁生產(chǎn)的同等材料相當(dāng)，從而表明這種方法可以提供一種低成本途徑，將更多的優(yōu)質(zhì)回收金屬產(chǎn)品推向市場(chǎng)。這種新方法被稱為固相合金化（solid phase alloying），通過(guò)將廢料轉(zhuǎn)化為高性能鋁產(chǎn)品，不僅可以提高材料性能，還有助于提升環(huán)境可持續(xù)性。
PNNL材料研究人員Xiao Li表示：“這項(xiàng)研究的創(chuàng)新之處在于，通過(guò)在鋁屑混合物中精確添加一定數(shù)量的金屬元素作為前體，實(shí)際上可以將其從低成本廢料轉(zhuǎn)化為高成本產(chǎn)品。這一操作只需一步就能完成，可以在五分鐘或更短的時(shí)間內(nèi)完全實(shí)現(xiàn)合金化?！?/p>
（圖片來(lái)源：太平洋西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室）
該創(chuàng)新固相合金化工藝可在幾分鐘內(nèi)將鋁廢料（混合了銅、鋅和鎂）轉(zhuǎn)化為精確設(shè)計(jì)的高強(qiáng)度鋁合金產(chǎn)品。相比之下，使用傳統(tǒng)的熔煉、鑄造和擠壓工藝來(lái)生產(chǎn)同樣的產(chǎn)品，需要幾天的時(shí)間。該團(tuán)隊(duì)使用PNNL專利技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)這些研究成果，即剪切輔助加工和擠壓（Shear Assisted Processing and Extrusion，ShAPE）。研究人員指出，這些研究結(jié)果還可能用于其他固相制造工藝。
在ShAPE工藝中，高速旋轉(zhuǎn)的模具會(huì)產(chǎn)生摩擦和熱量，將大塊的起始成分分散成均勻的合金，與新制造的鋁鍛造產(chǎn)品具有同等特性。該固相方法無(wú)需進(jìn)行高耗能的大規(guī)模熔煉過(guò)程，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)，這意味著回收鋁產(chǎn)品具有更長(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。
核心堅(jiān)固的金屬合金
該團(tuán)隊(duì)使用機(jī)械測(cè)試和先進(jìn)的成像技術(shù)，以檢測(cè)通過(guò)固相合金化方法生產(chǎn)的升級(jí)再造材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明，ShAPE升級(jí)再造合金在原子層面具有獨(dú)特的納米結(jié)構(gòu)。在ShAPE過(guò)程中，合金內(nèi)部會(huì)形成原子層面特征——吉尼爾·普雷斯頓區(qū)（Guinier Preston zone）。眾所周知，這些特征可以提高金屬合金的強(qiáng)度。與傳統(tǒng)的回收鋁相比，該回收合金的強(qiáng)度提高200%，同時(shí)提高了極限抗張強(qiáng)度，有望為消費(fèi)者帶來(lái)更耐用、性能更好的產(chǎn)品。
廢鋁原料與金屬添加劑（圖片來(lái)源：太平洋西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室）
PNNL能源與環(huán)境首席科技官Cindy Powell表示：“除了升級(jí)利用廢料，這項(xiàng)研究中最令人興奮的是，固相合金化不僅限于鋁合金和垃圾原料。理論上來(lái)說(shuō)，固相合金化適用于各種能想象到的金屬組合，而且由于完全在固態(tài)下進(jìn)行制造，人們可以開始考慮以前無(wú)法制造的全新合金?！?/p>
該固相合金化工藝可用于制造定制金屬絲合金，以用于各種3D打印技術(shù)。例如，電弧增材制造（WAAM）可用于3D打印或修復(fù)金屬部件。在此過(guò)程中，一卷金屬絲被送入機(jī)器人焊炬，焊炬將其熔化以構(gòu)建3D部件。Li表示：“在線材基增材制造過(guò)程中，很難獲得具有定制成分的饋線。固相合金化是一種很好的方法，可以生產(chǎn)出具有精確成分的定制合金，比如2%的銅或5%的銅?！?/p>
