PNNL科学家利用固相加工方法生产合金材料 无需熔化金属

盖世汽车讯 据外媒报道，在材料开发领域，研究人员一直致力于寻找新的、低成本方法，以制造更好的金属合金和复合材料。美国能源部太平洋西北国家实验室(PNNL)的科学家发现，利用固相加工方法可以制造出性能更好的材料，并已获得巨大成功。为探讨其中究竟，他们一直从原子层面观察材料微观结构。

（图片来源：PNNL）

纵观整个历史，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：首先将金属熔化，再经过一系列能耗型步骤来生产合金，最终制造出有用产品。这种基于熔体的加工方法很常见，但只能制造出有限种类的金属合金和复合材料，而且不能获得完全理想的性能。

在固相加工过程中，金属不会熔化，而是受到机械剪切力的作用。这使金属得以混合生成合金或复合材料，从而改善材料局部性能，或在两种材料之间进行焊接。剪切是指在金属或材料相互滑动时施加压力，从而产生摩擦力，并产生热量，使材料结合和变形。

本项研究重点关注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层面上对合金进行重组。据PNNL材料科学家Arun Devaraj介绍，原子层面上的硅分布在发生改变，因此其微结构比同类常规生产材料更加坚固。

Devaraj表示：“我们分析剪切力如何进入分级纳米结构。压缩测试表明，比起铸造形成的同类合金微观结构，剪切形成的纳米结构的强度几乎是两倍。”研究团队将剪切前后的铸造合金制成微柱，并测量压缩每组材料所需的力。

在铝硅合金中，铝柔软易变形；硅脆而硬，有断裂倾向。在实验之前，很小的铸造合金硅颗粒（平均约10微米），分布在大得多的铝颗粒内部及其中间。

原子探针断层扫描揭示硅（红色）在高度精细的铝基体（蓝色）中的独特分布。通过剪切变形实现这种纳米尺度分布，从而使合金具有较高的强度。（图片来源：PNNL）

研究小组利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，观察剪切力如何改变合金的微观结构。硅颗粒逐渐碎裂成越来越小的粒块，直至几乎溶入铝中。铝颗粒变得更小了。由于剪切变形，铝相和硅相的混杂程度进一步增加。

对于优化新型固相材料加工方法来说，了解极端剪切变形对金属合金微观结构的影响至关重要。对于摩擦学领域，这也是有用的，该领域研究相对运动的两个表面之间的相互作用，如滚珠轴承和其他运输设备。

PNNL固相加工科学计划（一项实验室投资）为这项研究提供资金。该计划旨在增进对固相材料合成途径的基本理解，以制造下一代材料和零部件，并对多个行业产生影响，包括航空航天、交通运输、能源和金属回收。