PNNL科学家利用固相加工方法生产合金材料 无需熔化金属

据外媒报道，材料开发领域的研究人员一直致力于寻找新的、低成本的方法来制造更好的金属合金和复合材料。美国能源部太平洋（601099，Guba）西北国家实验室（PNNL）的科学家发现，可以通过固相加工方法生产性能更好的材料，并取得了巨大成功。他们一直在原子水平上观察材料的微观结构，以探索真相。

纵观历史，从青铜时代到铁器时代，再到现代，金属生产大多局限于以下过程：首先熔化金属，然后通过一系列耗能步骤生产合金，最后生产有用的产品。这种基于熔体的加工方法很常见，但只能生产有限种类的金属合金和复合材料，无法实现完全理想的性能。在固态加工过程中，金属不会熔化，但会受到机械剪切力的作用。这允许金属混合形成合金或复合材料，从而改善材料的局部财产，或两种材料之间的焊接。剪切是指当金属或材料相互滑动时施加的压力，导致摩擦和热量，导致材料粘结和变形。本研究的重点是一种广泛应用于国防、航空航天和汽车行业的轻质铝硅合金。该团队利用剪切力在纳米尺度上对合金进行了重组。根据PNNL材料科学家Arun Devaraj的说法，硅在原子水平上的分布正在发生变化，使其微观结构比类似的传统生产材料更坚固。Devaraj说：“我们分析了剪切力是如何进入分级纳米结构的。压缩测试表明，与铸造形成的类似合金微观结构相比，剪切形成的纳米结构的强度几乎是其两倍。”研究团队在剪切前后制作了铸造合金的微柱，并测量了压缩每组材料所需的力。在铝硅合金中，铝是柔软的，并且容易变形；硅又脆又硬，有断裂的倾向。在实验之前，非常小的铸造合金硅颗粒分布在更大的铝颗粒内部和之间。

原子探针层析成像揭示了硅在高度精炼的铝基体中的独特分布。这种纳米级分布是通过剪切变形实现的，因此合金具有高强度。研究团队使用环境分子科学实验室（EMSL，美国能源部PNNL科学用户设施办公室）的原子探针断层扫描和电子显微镜来观察剪切力如何改变合金的微观结构。硅颗粒逐渐分解成越来越小的颗粒，直到它们几乎溶解到铝中。铝颗粒变得更小了。由于剪切变形，铝相和硅相之间的杂化程度进一步增加。了解极端剪切变形对金属合金微观结构的影响对于优化新型固态材料加工方法至关重要。这对摩擦学领域也很有用，摩擦学研究相对运动中两个表面之间的相互作用，如滚珠轴承和其他运输设备。PNNL固相处理科学计划为这项研究提供资金。该计划旨在增强对固态材料合成途径的基本理解，以制造下一代材料和组件，并对航空航天、运输、能源和金属回收等多个行业产生影响。

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