传统合金要么超强，要么高度可变形，但不能两者兼具。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-48693-4
近日， 普渡大学材料工程师团队近期开发出一种创新工艺，成功制造出适合增材制造（3D打印）的超高强度铝合金。该工艺利用纳米级、层状的可变形金属间化合物，将钴、铁、镍和钛等过渡金属引入铝中，从而开发出一种兼具高强度和良好塑性变形能力的新型铝合金。
普渡大学教授张星航（右）和研究生助理尚安宇（左），图片来自：普渡大学
此次研究由普渡大学材料工程学院的王海燕教授和张星航教授领导，团队成员包括材料科学专业的研究生尚安宇。相关研究成果发表在《自然通讯》杂志上，得到了美国国家科学基金会和美国海军研究办公室的支持。此外，这项创新成果已向美国专利商标局申请专利以保护其知识产权。
▍传统铝合金的局限性
轻质高强度铝合金广泛应用于各个行业，但大多数市售的高强度铝合金由于易受热裂影响，不适合用于增材制造。传统上，通过引入粒子来阻碍位错运动，从而提高铝合金的强度，但这些方法所能达到的最高强度仅在300至500兆帕之间，远低于钢的600至1,000兆帕。此外，在实现高强度与良好塑性变形能力方面，传统铝合金的成功有限。
▍普渡大学方法及其验证
普渡大学的研究人员通过将钴、铁、镍和钛等过渡金属形成纳米级金属间化合物薄片，并聚集成细小的玫瑰花结，大大抑制了金属间化合物的脆性。
细玫瑰花结区域的变形机制，图片来自：普渡大学
“这些金属间化合物的晶体结构对称性较低，在室温下易碎，”普渡大学的研究负责人尚表示。“但我们的方法是将过渡金属元素形成纳米级金属间化合物薄片，然后聚集成细小的玫瑰花结。纳米层状玫瑰花结可以大大抑制金属间化合物的脆性。”
纳米级金属间化合物的形貌和成分，图片来自：普渡大学
王教授补充道：“此外，异质微结构包含坚硬的纳米级金属间化合物和粗晶粒铝基体，这会产生显著的背应力，从而提高金属材料的加工硬化能力。使用激光进行增材制造可以实现快速熔化和淬火，从而引入纳米级金属间化合物及其纳米层。”
通过该3D打印超高强度铝合金制作的样品，图片来自：普渡大学
研究团队对所开发的铝合金进行了多项测试，包括宏观压缩试验、微柱压缩试验和后变形分析。测试结果显示，该铝合金在宏观测试中表现出显著的塑性变形能力和高强度，强度超过900兆帕。
微柱压缩试验揭示的微尺度机械性能，图片来自：普渡大学
微柱测试表明，所有区域均存在显著的背应力，某些区域的流动应力超过1千兆帕。变形后分析表明，除了铝合金基体中丰富的位错活动外，单斜Al9Co2型脆性金属间化合物中还形成了复杂的位错结构和堆垛层错。
普渡大学团队的这一创新工艺，成功地将多种过渡金属引入铝合金，显著提高了材料的强度和塑性变形能力。这一突破将为各个行业应用高强度铝合金开辟了广阔的前景，尤其是在从航空航天到汽车制造等行业都将有实际应用。
