固相制造有潜力通过一种被称为固相合金化的革命性技术开发定制金属合金，正如最近的研究发现所表明的。
根据能源部太平洋西北实验室研究人员进行的一项新研究，金属废料可以有效转化为高性能、宝贵的合金，而无需依赖传统的熔炼方法。
本研究发表在本周的《自然通讯》期刊上，展示了来源于工业废弃物的铝废料可以用来制造高性能金属合金。回收铝的性能与新铝制成的材料相媲美，表明这一方法为提高高质量回收金属产品的可用性提供了一种具有成本效益的解决方案。通过将废物转化为耐用的铝制品，固相合金化方法不仅提高了材料性能，还有助于环境可持续性。
PNNL的材料科学家也是本研究的主要作者肖力表示：“我们的研究具有创新性，因为我们可以通过将特定金属元素添加到铝屑中，在五分钟或更短的时间内，将低成本废物转化为高价值产品。”
固相合金化技术在几分钟内迅速将混合了铜、锌和镁的铝废料转化为高强度铝合金，这比传统工艺（如熔炼、铸造和挤压）所需的数天时间大大减少。该团队利用名为剪切辅助加工和挤压（ShAPE）的专利方法来实现这些结果。然而，他们强调，其他固相制造技术也应能复制他们的发现。
在ShAPE过程中，高速旋转的模具产生的摩擦和热量均匀地将初始的块状成分混合成与新生产铝锻制品相同的合金。这一固态方法消除了能量需求高的整体熔化阶段，并且与低成本废料结合时，有潜力大幅降低制造费用。消费者将受益于能在汽车、建筑或家用电器中使用的、提高寿命和性能的回收铝产品，而其成本则更低。
具有核心强度的金属合金
研究团队利用机械测试和复杂成像评估通过固相合金化获得的再生材料的微观结构。他们的发现表明，ShAPE再生合金在原子尺度上形成独特的纳米结构。在ShAPE过程中，被称为Guinier-Preston区的原子级结构出现在合金中，这种结构以增强金属合金的强度而著称。相比于传统回收铝，再生合金的强度提高200%，并表现出优越的极限抗拉强度，这可能为消费者带来更耐用和更高性能的产品。
PNNL能源与环境首席科学技术官、研究的合著者辛迪·鲍威尔表示：“虽然我们能够再生废料令人振奋，但我对这项研究最感兴趣的是，固相合金化不仅限于铝合金和废料材料。理论上，固相合金化可以应用于任何可以想象的金属组合。由于这一过程完全在固态中进行，它为创造我们以前无法制造的全新合金开辟了道路。”
李还提到，固相合金化方法可能用于制造用于特定3D打印应用的定制金属线合金。例如，线弧增材制造（WAAM）用于3D打印或修复金属组件，其中，线材通过机器人焊接火炬熔化以构建3D零件。
李解释道：“获取适合线材增材制造的定制成分的馈线非常具有挑战性。固相合金化为生产具有精确成分的定制合金提供了绝佳机会，如2%或5%的铜。”
该研究由PNNL实验室指导研究和开发项目资助，属于固相处理科学倡议的框架内。团队还包括PNNL的研究人员王天豪、李泽豪、刘廷坤、王翔、阿伦·德瓦拉杰、辛迪·鲍威尔和乔治·F·多桑托斯。
