美國(guó)太平洋西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究人員最近驗(yàn)證了一種先進(jìn)的制造工藝，可以直接從高性能鋁合金粉末生產(chǎn)納米結(jié)構(gòu)棒、管。采用新型固相處理方法，該研究團(tuán)隊(duì)縮減了鋁合金粉末傳統(tǒng)擠壓加工過(guò)程中的幾個(gè)步驟，同時(shí)顯著提高了產(chǎn)品的延展性。這對(duì)汽車(chē)等行業(yè)來(lái)說(shuō)是個(gè)好消息，因?yàn)楦叱杀鞠拗屏朔勰┲聘邚?qiáng)度鋁合金在制造業(yè)中的使用。該研究成果發(fā)表在Materialia上。
鋁合金粉末擠壓是一種以粉末為原料用常規(guī)擠壓工藝制取型材的一項(xiàng)復(fù)合技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)將粉末冶金與擠壓相結(jié)合，為制造用其他工藝難以或不能生產(chǎn)的復(fù)合材料型材提供了一條新途徑。
鋁合金粉末擠壓有兩種，一為粘結(jié)劑輔助擠壓，即將粉末與粘結(jié)劑和其他流變變性劑相混合，制成擠壓料(Feedstock)進(jìn)行擠壓，其生產(chǎn)過(guò)程和鋁金屬注射成形(MIM)相似。另外一種是鋁合金粉末熱擠壓。
突破常規(guī)
粉末制成的高性能鋁合金長(zhǎng)期以來(lái)一直用于輕型部件，用于專(zhuān)業(yè)航空航天應(yīng)用，其成本不是限制因素。然而這些合金對(duì)于汽車(chē)工業(yè)來(lái)說(shuō)太昂貴。典型的鋁合金粉末擠出工藝是高耗能和工藝密集型，需要多個(gè)步驟來(lái)批量生產(chǎn)。首先，必須將松散的粉末裝入罐中并抽成真空，這被稱(chēng)為“脫氣”。然后將罐密封，熱壓，預(yù)熱，并放入擠壓機(jī)中。在擠出之后，將罐移除或“潷析”，以顯示由固結(jié)粉末制成的擠出部件。
在這項(xiàng)研究中，該團(tuán)隊(duì)省略部分步驟，使用PNNL的剪切輔助加工和擠出技術(shù)或ShAPE?直接從粉末中擠出納米結(jié)構(gòu)鋁棒。鋁合金直接從粉末冶金、罐裝、脫氣、熱等靜壓、脫罐和鋼坯預(yù)熱中擠出。
在ShAPE?工藝中，將粉末在這種情況下，由Kymera International的分公司SCM metal Products,Inc.提供的Al-12.4TM鋁合金粉末倒入敞口容器中。然后將旋轉(zhuǎn)擠出模頭壓入粉末中，在粉末和模頭之間的界面處產(chǎn)生熱量。該材料柔軟且易于擠出，無(wú)需罐裝、脫氣、熱壓、預(yù)熱和潷析。
“這是第一個(gè)使用ShAPE?等單步工藝將鋁合金粉末合并成納米結(jié)構(gòu)擠壓件的實(shí)例”負(fù)責(zé)該研究的PNNL材料科學(xué)家Scott Whalen說(shuō)。關(guān)注材料科學(xué)與工程微信公眾號(hào)，獲取更多知識(shí)?！跋庸げ襟E和預(yù)熱需求可以大大縮短生產(chǎn)時(shí)間，降低產(chǎn)品的成本和整體嵌入能量，這對(duì)于想要制造乘用車(chē)的汽車(chē)制造商來(lái)說(shuō)可能是有益的。他們可以為消費(fèi)者提供更實(shí)惠，更輕便，更省油的產(chǎn)品。”
除了提供Al-12.4TM粉末外，SCM metals Products,Inc.還進(jìn)行了機(jī)械測(cè)試，以驗(yàn)證所得材料的性能。PNNL和SCM metal Products,Inc.目前正在合作開(kāi)展DOE技術(shù)轉(zhuǎn)型辦公室的項(xiàng)目，以擴(kuò)大更大直徑擠壓的工藝。
鋁合金粉末熱擠壓是粉末冶金與擠壓相結(jié)合形成的一種特種鋁金屬加工工藝，是生產(chǎn)特種材料，諸如鈹材、彌散強(qiáng)化材料的主要手段。充分利用這種工藝的優(yōu)勢(shì)，不但能制造出用其他方法難加工的材料，而且由于其制造工藝過(guò)程較短，工序較少，只包括熔煉一粉末生產(chǎn)一擠壓壓坯，還能節(jié)約大量能源與提高材料利用率
延展性
縮減加工步驟和加熱并不是團(tuán)隊(duì)唯一成功的發(fā)現(xiàn)。雖然高性能鋁合金歷史上表現(xiàn)出優(yōu)異的強(qiáng)度，但它們通常受到延展性差的阻礙。然而，該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)ShAPE?方法擠出的鋁合金延展性得到顯著改善，測(cè)量得到的延展性是傳統(tǒng)擠出產(chǎn)品的兩到三倍，且具有相同的強(qiáng)度。
為了理解延展性顯著增加的原因，使用透射電子顯微鏡來(lái)評(píng)估粉末和擠出材料的微觀結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明，ShAPE?方法改進(jìn)了粉末中的第二相—非鋁材料的微小強(qiáng)化顆粒。ShAPE?可將顆粒縮小至納米級(jí)尺寸，并將其均勻分布在整個(gè)鋁基體中，從而提高延展性。（來(lái)源：材料科學(xué)與工程公眾號(hào)，phys.org，八方鋁業(yè)）論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2589152919300560?via%3Dihub
