据外媒报道，美国能源部太平洋西北国家实验室（Pacific Northwest National Laboratory）研究人员开展一项新研究，无需使用传统熔炼工艺，即可将金属废料直接转化升级为高性能、高价值的合金。

（图片来源：太平洋西北国家实验室）

这项研究表明，工业废物流中的废铝可用于生产高性能金属合金。这些升级再造铝的性能与利用原铝生产的同等材料相当，从而表明这种方法可以提供一种低成本途径，将更多的优质回收金属产品推向市场。这种新方法被称为固相合金化（solid phase alloying），通过将废料转化为高性能铝产品，不仅可以提高材料性能，还有助于提升环境可持续性。

PNNL材料研究人员Xiao Li表示：“这项研究的创新之处在于，通过在铝屑混合物中精确添加一定数量的金属元素作为前体，实际上可以将其从低成本废料转化为高成本产品。这一操作只需一步就能完成，可以在五分钟或更短的时间内完全实现合金化。”

（图片来源：太平洋西北国家实验室）

该创新固相合金化工艺可在几分钟内将铝废料（混合了铜、锌和镁）转化为精确设计的高强度铝合金产品。相比之下，使用传统的熔炼、铸造和挤压工艺来生产同样的产品，需要几天的时间。该团队使用PNNL专利技术来实现这些研究成果，即剪切辅助加工和挤压（Shear Assisted Processing and Extrusion，ShAPE）。研究人员指出，这些研究结果还可能用于其他固相制造工艺。

在ShAPE工艺中，高速旋转的模具会产生摩擦和热量，将大块的起始成分分散成均匀的合金，与新制造的铝锻造产品具有同等特性。该固相方法无需进行高耗能的大规模熔炼过程，再加上来自废料的低成本原料，有可能大幅降低制造这些材料的成本。对于消费者来说，这意味着回收铝产品具有更长的使用寿命和更好的性能，而且成本更低，无论是汽车、建筑材料还是家用电器的部件。

核心坚固的金属合金

该团队使用机械测试和先进的成像技术，以检测通过固相合金化方法生产的升级再造材料的内部结构。结果表明，ShAPE升级再造合金在原子层面具有独特的纳米结构。在ShAPE过程中，合金内部会形成原子层面特征——吉尼尔·普雷斯顿区（Guinier Preston zone）。众所周知，这些特征可以提高金属合金的强度。与传统的回收铝相比，该回收合金的强度提高200%，同时提高了极限抗张强度，有望为消费者带来更耐用、性能更好的产品。

废铝原料与金属添加剂（图片来源：太平洋西北国家实验室）

PNNL能源与环境首席科技官Cindy Powell表示：“除了升级利用废料，这项研究中最令人兴奋的是，固相合金化不仅限于铝合金和垃圾原料。理论上来说，固相合金化适用于各种能想象到的金属组合，而且由于完全在固态下进行制造，人们可以开始考虑以前无法制造的全新合金。”

该固相合金化工艺可用于制造定制金属丝合金，以用于各种3D打印技术。例如，电弧增材制造（WAAM）可用于3D打印或修复金属部件。在此过程中，一卷金属丝被送入机器人焊炬，焊炬将其熔化以构建3D部件。Li表示：“在线材基增材制造过程中，很难获得具有定制成分的馈线。固相合金化是一种很好的方法，可以生产出具有精确成分的定制合金，比如2%的铜或5%的铜。”