金屬或合金可以通過晶粒細(xì)化即引入更多的晶界來強(qiáng)化。然而，高密度的晶界將為晶粒粗化提供驅(qū)動(dòng)力，引起力學(xué)性能退化，嚴(yán)重制約納米晶材料的大范圍制備以及在工程結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的應(yīng)用。

      最近，一些研究人員驚喜地發(fā)現(xiàn)，在低溫下由塑性變形產(chǎn)生的銅和鎳納米晶粒在臨界晶粒尺寸(通常小于70納米)以下具有顯著的熱穩(wěn)定性和機(jī)械穩(wěn)定性。對(duì)于Al合金及鋁基復(fù)合材料，受Al原子在高溫或機(jī)械載荷作用下高原子擴(kuò)散率限制，現(xiàn)有快速合成大塊Al合金及其衍生物的方法，仍然很難將其晶粒尺寸降低到納米級(jí)(小于100 nm)。

       近期，加拿大阿爾伯塔大學(xué)機(jī)械工程系的James Hogan教授及其合作團(tuán)隊(duì)，基于實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化冷氣增材制造實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，結(jié)合數(shù)值模擬手段，首次快速構(gòu)筑了塊體高強(qiáng)納米晶鋁基復(fù)合材料(nanoAMCs)。研究發(fā)現(xiàn)，通過調(diào)控多尺度強(qiáng)化機(jī)制（如固溶強(qiáng)化、位錯(cuò)強(qiáng)化、晶界強(qiáng)化、彌散強(qiáng)化等），在平均晶粒尺寸<50 nm的情況下，制備的納米晶復(fù)合材料（nano Al 6061–Al2O3）的硬度達(dá)到2.4 GPa，是純鋁基體母材的8倍；并且屈服強(qiáng)度從母材的102.4 MPa 提高至納米晶復(fù)合材料的557.0 MPa。

本期將分享該文章提出的方法與研究亮點(diǎn)。

相關(guān)論文發(fā)表在《極端制造》（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）

單位：阿爾伯塔大學(xué)，中國科學(xué)院金屬研究所，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、卡爾斯魯厄理工學(xué)院等。

論文鏈接：https://doi.org/10.1088/2631-7990/ac9ba2

 研究方法

文章提出一種快速增材制造納米晶金屬和納米晶金屬基體復(fù)合材料的高通量方法。作為應(yīng)用實(shí)例，采用多級(jí)強(qiáng)化策略制備了一系列大塊納米晶Al和納米Al- Al2O3復(fù)合材料，其硬度高達(dá)2.4GPa。

圖1 高強(qiáng)納米晶鋁基復(fù)合材料制備

該方法也可快速合成硬度在0.3GPa到2.4GPa之間的各種Al-Al2O3復(fù)合材料，以及它們的混合物或梯度組合。

圖2 納米晶鋁基復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能

更重要的是，該研究中采用的低溫碾磨和冷增材制造方法可能適用于目前的工業(yè)生產(chǎn)體系，為大規(guī)模工業(yè)制造塊體納米結(jié)構(gòu)材料提供一種新的途徑。

 研究亮點(diǎn)

研究團(tuán)隊(duì)提出了一種快速合成大塊納米晶金屬和金屬基復(fù)合材料的方法。

設(shè)計(jì)和制備了平均晶粒尺寸<50 nm的多級(jí)強(qiáng)化鋁基復(fù)合材料。

通過數(shù)值模擬成功實(shí)現(xiàn)低溫增材工藝參數(shù)優(yōu)化。

該項(xiàng)成果獲得了加拿大InnoTech Alberta公司、重大創(chuàng)新基金等，中國科協(xié)青年人才托舉工程等研究經(jīng)費(fèi)支持。

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