Nature子刊，美国国家实验室：废料回收金属的强度提高200%

铝（Al）是全球应用最广泛的有色金属，铝工业贡献了全球3%的温室气体排放量。这是因为采用霍尔-埃鲁法从矿石生产原铝的过程会排放大量二氧化碳。理论上，与原铝生产相比，使用100%废铝作为原料可将能耗与碳排放降低多达95%。然而，如此显著的环境效益尚未实现，原因在于废铝中不可避免地含有有害杂质，需要在“提纯与稀释”工艺中添加原铝。此外，传统再生铝的回收生产还包含多个高能耗工序（图1a）。对原铝添加的依赖，加之高温熔融及其他加工工序的需求，使得再生铝产品仍具有较高的能耗与碳排放强度。

摩擦挤压技术于1993年由英国焊接研究所发明，是一种固相挤压工艺，最初用于制备金属基复合材料。近年来，该技术已成为一种极具前景的废铝回收方法，由于加工温度更低、工序更少，相比传统工艺具备潜在的节能优势。摩擦挤压还具有另一项优势：可在加工过程中快速破碎非均质原料，并将其与基体材料混合均匀，这使其成为可规模化制备第二相均匀弥散分布复合材料的理想选择。

成果速览

与原铝生产相比，再生铝回收能够降低能耗，但采用传统熔融回收工艺制备的产品在合金成分、微观组织及最终性能方面存在固有局限。为突破熔融回收带来的制约，本研究开发了一种固相回收与同步合金化方法。该创新工艺可将6063铝废料与铜、锌、镁进行合金化，制备出一种由纳米团簇强化的高性能铝合金，其成分与性能接近7075铝合金。这种独特的纳米结构包含高密度的GP区以及均匀析出的纳米级η'/Mg(CuZn)₂强化相，使屈服强度和极限抗拉强度均提升200%以上。

该可规模化制造方法不仅实现了铝废料的回收利用，更将其升级再造为高性能产品，为金属再利用提供了典范，同时也可用于对各类金属废料进行按需升级高值化利用。

该工作以「Upcycled high-strength aluminum alloys from scrap through solid-phase alloying」为题发表于Nature Communications。

图文解析

图1. 铝的生命周期与升级再造流程。a 传统再生铝回收与制备路线：分选、熔融铸造、运输、轧制/挤压及半成品（棒材、条材、板材）。 b 固相加工通过摩擦挤压直接将废料回收或升级再造为挤压制品，通过省去高能耗工序降低能耗。

图2. 摩擦挤压棒材及其相应的力学性能。a 摩擦挤压回收与升级再造中使用的废铝及添加合金元素，从上至下依次为：6063废铝、铜粉、锌粉以及ZK60镁合金薄带。b 仅由冷压成形的6063废铝制备的再生铝棒（挤压棒表面经人工抛光）。c 由6063废铝与添加合金元素的混合物制备的升级再造铝棒（挤压棒表面经人工抛光）。d 电子背散射衍射反极图（EBSD‑IPF）显示再生铝棒的晶粒形貌。e 电子背散射衍射反极图（EBSD‑IPF）显示升级再造铝棒的晶粒形貌。f 摩擦挤压试样的应力‑应变曲线：再生铝棒与升级再造铝棒，并与商用变形6063铝合金进行对比。

图3. 固相合金化过程中的微观组织演变。a 光学图像显示自下而上的四个典型区域——A区：压实后的废料、粉末与薄带。B区：变形材料由压实态微观组织向加工态微观组织过渡。C区：混合与合金化微观组织。D区：挤压态微观组织。注：图 (a)中内嵌硬度分布图，覆盖A区至D区范围。b A区、B区和D区（从左至右）对应的铝、锌、镁、铜、氧元素SEM形貌与EDS面扫分布图（从上至下）。

图4. 固相加工制备的再生铝与升级再造铝的物相鉴定及微观结构。a 对再生铝与升级再造铝的X射线衍射（XRD）分析表明，升级再造过程中形成了新型Mg(CuZn)₂相。b 升级再造试样的高角环形暗场（HAADF）与明场（BF）图像证实了GP区与η′相纳米团簇的存在。c 预先存在的Mg₂Si颗粒与新溶解的锌、铜发生反应的透射电镜（TEM）及能谱（EDS）分析，结果显示在原有Mg₂Si颗粒附近出现了可能的反应产物。d 升级再造试样中铝、锌、镁、铜元素的三维原子分布图。e 标注了晶体学极点的全三维原子探针（APT）数据集解吸图。f、g 在尺寸为30×30×30nm³的选取区域内，沿 [11¯1] 晶向分解的铝、锌、镁、铜原子切片图。

图5. 回收与升级再造工艺的实验步骤。a 回收工艺（仅使用6063废料）与升级再造工艺（6063废料及合金添加剂）的实验步骤均包括：碎屑与粉末称重、手动压合、摩擦挤压。图中为摩擦挤压所用设备：ShAPE™。b 回收挤压过程中的挤压温度、主轴转速及进给速度。c 升级再造挤压过程中的挤压温度、主轴转速及进给速度。

总结展望

综上，本研究通过一步法固相合金化工艺，将6063铝合金废料与铜、锌、镁进行升级再造，获得了一种高性能铝合金。与仅回收处理的材料相比，升级再造材料的屈服强度和极限抗拉强度提升超过200%，这主要归因于GP区的形成。

上述结果表明，借助可规模化的固相加工技术（摩擦挤压）引入合金元素，无需对原料进行熔融处理，即可将低强度、低成本的铝合金废料升级再造为高强度、高附加值的铝合金制品。摩擦挤压过程中产生的剧烈剪切变形可细化合金添加相，并促进其在铝基体中均匀分散，进而形成细小的GP区与η′/Mg(CuZn)₂相。

更为重要的是，该研究证实了一种全新的合金设计与制造思路：变废为宝，降低金属生产的能耗与环境影响，同时为制备传统熔融工艺无法获得的新型合金与复合材料提供了可行路径。

DOI：

https://doi.org/10.1038/s41467-024-53062-2

来自：材料设计

长三角G60激光联盟陈长军转载

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