弥补缺陷：修复断裂金属的新方法

据估计，采矿、精炼和加工中常用的金属，即结构金属造成了约30亿吨的二氧化碳当量排放。而且，尽管回收这些材料有可以减轻对环境的负面影响，但许多金属材料因为遭到了破坏如断裂，从而会阻碍它们延长生命周期。

几千年来，高温技术如钎焊和焊接一直用于金属修复。然而，这些技术也有局限性，因为某些由两种或两种以上元素组成的合金金属物质在极端高温下容易开裂。一些复杂的3D打印结构又过于复杂或精细，因此无法使用传统工艺加工。

在《先进材料》杂志上发表的一篇论文中，由工程与应用科学学院的James Pikul领导的一个研究小组提出了一种恢复金属强度和韧性的新技术。研究人员利用这种“电化学愈合”技术，在室温条件下修复各种金属材料中的断裂金属，包括钢、铝合金和复杂3D打印结构。

“难以修复的金属通常最终成为废物，造成经济和环境问题，”机械工程和应用机械学助理教授Pikul说，“电化学修复技术提供了一种解决方案，使金属的抗拉强度完全恢复，包括航空航天中使用的‘不可焊接的’铝合金。这为以成本效益和可持续的方式修复金属开辟了一条新途径。”

论文的第一作者是Zakaria H'sain，他是Pikul研究小组的博士后研究员，在宾夕法尼亚大学获得博士学位。H'sain解释说，钎焊类似于牙医补牙，通过插入填充材料并将其输送到指定部位来密封龋齿；而焊接可以通过用高温激光或火花将两块金属融为一体。他说，他们的新金属愈合技术采用了一种不同的方法来修复金属。

“我们称这种方法为电化学愈合，因为它更接近于人体修复骨裂的方式，”H'sain说，“愈合的物质被运送到断裂处，并通过来自相对断裂面的物质的生长和连接来恢复强度。”

为了让金属能够“愈合”，研究人员将其置于电解质的水基溶液中。该溶液是一种含有镍离子的咸水混合物。研究小组施加负电压后，使电解液中的离子向金属裂缝移动，导致电子增加，直到电解液中的金属离子开始偷取多余的电子，这种化学反应称为还原。使离子变成了固体金属原子，随着原子在表面上的增长，它们治愈了裂缝。

“我们在金属上涂了一层保护性的聚合物涂层作为屏障，所以当它暴露于电解质溶液中发生愈合时只限于断裂部位，不会与金属结构的其他部分发生反应。”H'sain说。

在研究电化学修复金属的可能性基础上，该团队开发了一个模型，根据断裂的几何形状、整体结构的原始强度、镍涂层的强度和其他工艺参数，来衡量他们的修复在恢复机械强度方面的功效。

他们将模型应用于三种不同的合金：一种相对便宜的低碳钢，在建筑和机械领域很受欢迎，还有两种不可焊接的铝合金，通常用于飞机机翼和机身。在后来的实验中，该团队与斯图尔特-魏茨曼设计学院建筑学助理教授Masoud Akbarzadeh和Akbarzadeh多面体结构实验室的研究生Mostafa Akbari合作，看看电化学愈合是否可以用来修复3D打印的高效结构。

“实验表明，如果按照我们的模型，可以为所有这些合金恢复100%的强度，”H'sain说，“以前的电化学技术依赖于为每种材料量身定做的精细解决方案，而我们提出了一种可以适用于许多材料的通用方法。”

Akbarzadeh说：“我们对电化学愈合的潜力感到兴奋，它彻底改变了具有复杂形态的3D打印金属结构的修复。通过让难以焊接的壳状结构完全恢复抗拉强度，我们正在为这些日益流行的建筑材料的更有效和可持续的修复过程铺平道路。”

在未来的研究中，该团队计划通过设计和制造事先需要修理的部件，扩大他们在3D打印结构方面的工作，以确保更容易促进强度的有效恢复。此外，他们也有兴趣研究自主修复的方法，并通过替代电沉积金属降低成本。

来源：荣格-《国际工业激光商情》

原创声明：
本站所有原创内容未经允许，禁止任何网站、微信公众号等平台等机构转载、摘抄，否则荣格工业传媒保留追责权利。任何此前未经允许，已经转载本站原创文章的平台，请立即删除相关文章。