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

　　這項研究近日以“Upcycled high-strength aluminum alloys from scrap through solid-phase alloying”為題于12月10日發表在《自然·通訊》。PNNL團隊以鋁為研究對象，開發了一種固相回收和同時合金化的方法。這種創新工藝使6063鋁合金廢料與銅、鋅和鎂合金化，形成納米團簇強化高性能鋁合金，其成分和性能類似于7075鋁合金。獨特的納米結構具有高密度的Guinier-Preston區和均勻沉淀的納米級 η/Mg(CuZn) 2強化相，可將產量和極限抗拉強度提高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，在原鋁生產過程中會排放大量的二氧化碳。 與原鋁生產相比，使用100%廢鋁原料理論上可以減少高達95%的能源和碳排放。 然而，這種程度的環境影響實際上并未帶來多大改變，這是因為廢料中不可避免地含有不良雜質，需要在“凈化和稀釋”的過程中添加原鋁。 此外，傳統的回收生產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，導致再生產品仍然具有相對較高的能耗。

　　摩擦擠壓技術由英國焊接研究所于1993年發明，是一種固相擠壓技術，最初用于制造金屬基復合材料。 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，與傳統工藝相比具有潛在的能源效率優勢。 摩擦擠壓的另一個優點是能夠快速分解異質原料，然后在加工過程中將其與基體材料混合并均質化，使其成為制造具有均勻分散的第二相的復合材料的可擴展選項。

　　鋁生命周期和升級再造工作流程：a.傳統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，然后進行摩擦擠壓，從而無需進行批量熔化即可將合金元素摻入鋁基體。摩擦擠壓工藝的熱機械性質導致在擠壓產品中產生細粒鋁微觀結構和高密度的強化納米團簇。這種固相工藝允許將鋁廢料升級為高性能鋁產品，而無需添加原鋁或進行熔化，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量回收金屬產品，同時降低成本。

　　PNNL材料科學家、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（作為前驅體） 混合，可以將其從低成本的廢料轉化為高成本的產品。而且我們只需一步就能完成這個轉化，所有材料在五分鐘或更短的時間內就能合金化。”

　　研究團隊將這項技術稱之為SHAPE工藝，與利用傳統熔煉、鑄造和擠壓工藝生產相同產品需要數天時間相比，這種創新的固相合金化工藝能在幾分鐘內將混合銅、鋅和鎂的鋁廢料轉化為精心設計的高強度鋁合金產品。 高速旋轉的模具產生摩擦和熱量，使塊狀原料分散成具有與新制造的鋁鍛件產品相同特性的均勻合金。

　　科研團隊采用機械測試和先進成像技術，檢查了通過固相合金化回收的材料內部結構。結果表明，ShAPE回收合金在原子層面形成了獨特的納米結構。在ShAPE工藝中，合金內部會形成稱為Guinier-Preston區的原子級特征。

　　摩擦擠壓樣品的應力-應變曲線：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，這些特征能夠增強金屬合金的強度。與傳統回收鋁相比，回收合金的強度提高了200%，并且極限抗拉強度也有所增加。這些特性意味著消費者將獲得更耐用、性能更好的產品。

　　高性能鋁合金結構件尤其是大型整體鋁合金主承力結構件仍然是減輕飛行器結構重量、提高運載能力和飛行速度的重要技術途徑之一。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。

　　PNNL研究團隊指出，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具有確切成分（如2%銅或5%銅）定制合金的絕佳方法。這項技術因此可以為多種3D打印技術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。

　　據3D打印技術參考了解，哈工大黃永憲教授團隊開發出了一種連續絲材攪拌摩擦增材制造技術引發了國內外廣泛關注。該技術 通過連續進給絲材可實現大型金屬結構的固相增材制造成形。

　　3D打印技術參考注意到，哈工大團隊基于這項技術，于2024年實現了3米級大型鋁合金帶筋壁板全固相連續增材制造，為固相增材制造技術在大型民航客機、戰斗機等產品上的應用提供了關鍵技術支撐。

　　電弧增材制造技術正在被國內外航天領域加速使用。 2023年3月，全球首枚3D打印技術制造的火箭 Terran 1成功發射， 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射條件。 Relativity所開發的Stargate工業機器人3D打印機，其末端執行器采用了電弧和激光沉積技術，并采用鋁合金材料打印

　　2023年4月19日，首都航天機械有限公司發文指出，公司電弧增材制造技術獲評中國航天科技集團2022年度十大技術突破，并已經使用該技術進行了火箭產品的制造 。，其鋁合金電弧增材制造技術為夢天艙和長五B的研制提供了重要技術。

　　當前鋁合金增材制造正在加速得到應用，電弧和攪拌摩擦增材制造技術，已成為大型鋁合金構件直接制造的關鍵3D打印工藝，被世界航天和軍事大國廣泛關注。同時，材料也是關鍵一環。

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