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纳米晶铝基复合材料高效率增材制造
doi: 10.1088/2631-7990/ac9ba2
- 刊出日期: 2023-11-16
摘要:
研究论文 ● 开放获取阅读更多
1. 文章简介
金属或合金可以通过晶粒细化即引入更多的晶界来强化。然而，高密度的晶界将为晶粒粗化提供驱动力，引起力学性能退化，严重制约纳米晶材料的大范围制备以及在工程结构领域的应用。最近，一些研究人员惊喜地发现，在低温下由塑性变形产生的铜和镍纳米晶粒在临界晶粒尺寸(通常小于70纳米)以下具有显著的热稳定性和机械稳定性。对于Al合金及铝基复合材料，受Al原子在高温或机械载荷作用下高原子扩散率限制，现有快速合成大块Al合金及其衍生物的方法，仍然很难将其晶粒尺寸降低到纳米级(小于100 nm)。
近期，加拿大阿尔伯塔大学机械工程系的James Hogan教授及其合作团队在制造领域的顶尖期刊《极端制造》（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）上发表《Nano-additive manufacturing of multilevel strengthened aluminum matrix composites》的研究文章。基于实验室自动化冷气增材制造实验平台，结合数值模拟手段，首次快速构筑了块体高强纳米晶铝基复合材料(nanoAMCs)。研究发现，通过调控多尺度强化机制（如固溶强化、位错强化、晶界强化、弥散强化等），在平均晶粒尺寸<50 nm的情况下，制备的纳米晶复合材料（nano Al 6061–Al2O3）的硬度达到2.4 GPa，是纯铝基体母材的8倍；并且屈服强度从母材的102.4 MPa 提高至纳米晶复合材料的557.0 MPa。
本文提出一种快速增材制造纳米晶金属和纳米晶金属基体复合材料的高通量方法。作为应用实例，采用多级强化策略制备了一系列大块纳米晶Al和纳米Al- Al2O3复合材料，其硬度高达2.4 GPa。该方法也可快速合成硬度在0.3 GPa到2.4 GPa之间的各种Al-Al2O3复合材料，以及它们的混合物或梯度组合。更重要的是，本研究中采用的低温碾磨和冷增材制造方法可能适用于目前的工业生产体系，为大规模工业制造块体纳米结构材料提供一种新的途径。
该项成果获得了加拿大InnoTech Alberta公司、重大创新基金等，中国科协青年人才托举工程等研究经费支持。
图1 高强纳米晶铝基复合材料制备。
图2 纳米晶铝基复合材料的微观结构和力学性能。
亮点：
● 提出了一种快速合成大块纳米晶金属和金属基复合材料的方法。
● 设计和制备了平均晶粒尺寸<50 nm的多级强化铝基复合材料。
● 通过数值模拟成功实现低温增材工艺参数优化。
English Abstract
纳米晶铝基复合材料高效率增材制造
- Publish Date: 2023-11-16
Abstract:
研究论文 ● 开放获取阅读更多
1. 文章简介
金属或合金可以通过晶粒细化即引入更多的晶界来强化。然而，高密度的晶界将为晶粒粗化提供驱动力，引起力学性能退化，严重制约纳米晶材料的大范围制备以及在工程结构领域的应用。最近，一些研究人员惊喜地发现，在低温下由塑性变形产生的铜和镍纳米晶粒在临界晶粒尺寸(通常小于70纳米)以下具有显著的热稳定性和机械稳定性。对于Al合金及铝基复合材料，受Al原子在高温或机械载荷作用下高原子扩散率限制，现有快速合成大块Al合金及其衍生物的方法，仍然很难将其晶粒尺寸降低到纳米级(小于100 nm)。
近期，加拿大阿尔伯塔大学机械工程系的James Hogan教授及其合作团队在制造领域的顶尖期刊《极端制造》（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）上发表《Nano-additive manufacturing of multilevel strengthened aluminum matrix composites》的研究文章。基于实验室自动化冷气增材制造实验平台，结合数值模拟手段，首次快速构筑了块体高强纳米晶铝基复合材料(nanoAMCs)。研究发现，通过调控多尺度强化机制（如固溶强化、位错强化、晶界强化、弥散强化等），在平均晶粒尺寸<50 nm的情况下，制备的纳米晶复合材料（nano Al 6061–Al2O3）的硬度达到2.4 GPa，是纯铝基体母材的8倍；并且屈服强度从母材的102.4 MPa 提高至纳米晶复合材料的557.0 MPa。
本文提出一种快速增材制造纳米晶金属和纳米晶金属基体复合材料的高通量方法。作为应用实例，采用多级强化策略制备了一系列大块纳米晶Al和纳米Al- Al2O3复合材料，其硬度高达2.4 GPa。该方法也可快速合成硬度在0.3 GPa到2.4 GPa之间的各种Al-Al2O3复合材料，以及它们的混合物或梯度组合。更重要的是，本研究中采用的低温碾磨和冷增材制造方法可能适用于目前的工业生产体系，为大规模工业制造块体纳米结构材料提供一种新的途径。
该项成果获得了加拿大InnoTech Alberta公司、重大创新基金等，中国科协青年人才托举工程等研究经费支持。
图1 高强纳米晶铝基复合材料制备。
图2 纳米晶铝基复合材料的微观结构和力学性能。
亮点：
● 提出了一种快速合成大块纳米晶金属和金属基复合材料的方法。
● 设计和制备了平均晶粒尺寸<50 nm的多级强化铝基复合材料。
● 通过数值模拟成功实现低温增材工艺参数优化。
| 引用本文: |
Shao C W, Li H Y, Zhu Y K, Li P, Yu H Y, Zhang Z F, Gleiter H, McDonald A, Hogan J. 2023. Nano-additive manufacturing of multilevel strengthened aluminum matrix composites. Int. J. Extrem. Manuf. 5 015102. 
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| Citation: |
Shao C W, Li H Y, Zhu Y K, Li P, Yu H Y, Zhang Z F, Gleiter H, McDonald A, Hogan J. 2023. Nano-additive manufacturing of multilevel strengthened aluminum matrix composites. Int. J. Extrem. Manuf. 5 015102.
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