使飞机零部件更轻,麻省理工3D打印铝合金有话说_3D打印增材展

麻省理工学院的研究人员近日开发了一种新的3D打印铝合金，可以承受400℃高温，强度是传统制造铝的五倍。

由铝和其他元素的混合物制成的新的可3D打印金属，该团队通过模拟和机器学习相结合确定了这些元素，显著减少了要搜索的可能材料组合的工作。在传统方法中，需要模拟超过100万种可能的材料组合，但该团队基于机器学习的新方法，却只需评估40种可能的成分，即可确定理想组合来制成高强度、可打印铝合金。

（一种新的3D打印铝合金比传统铝更坚固，因为打印时会产生带有纳米级沉淀物（浅蓝色）的铝（棕色），沉淀物排列成规则的纳米级图案（圆形插图中的蓝色和绿色），赋予打印合金的高强度）

新的可打印铝在研究人员设想中，或许可以制成更坚固、更轻且更耐高温的产品，例如喷气发动机中的风扇叶片。风扇叶片在传统上是由钛铸造或由先进的复合材料而制成，而钛是一种比铝重50%以上、成本高10倍的材料。

在麻省理工学院担任博士后工作工作，现为卡内基梅隆大学助理教授的Mohadeseh Taheri-Mousavi表示，“如果我们能使用更轻、更高强度的材料，这将为运输行业节省大量能源。” 另外，麻省理工学院机械工程系1922届教授兼系主任John Hart补充道：“由于3D打印可以生产复杂的几何形状、节省材料并实现独特的设计，因此我们认为这种可打印合金也可用于先进的真空泵、高端汽车和数据中心的冷却设备。”

Hart和Taheri-Mousavi作为通讯作者将这项研究内容以“Additively Manufacturable High-Strength Aluminum Alloys with Coarsening-Resistant Microstructures Achieved via Rapid Solidification”为题发表在期刊《Advanced Materials》上。该论文的合作者包括麻省理工学院Michael Xu、Clay Houser、Shaolou Wei、James LeBeau和Greg Olson，以及德国帕德博恩大学的Florian Hengsbach和Mirko Schaper，以及卡内基梅隆大学的Ghaoxuan Ge和Benjamin Glaser。

这项新工作源于Taheri-Mousavi在2020年参加的麻省理工学院课程，作为课程的一部分，他学习了使用计算模拟来设计高性能合金。合金是由不同元素混合制成的材料，这些元素的组合赋予整个材料卓越的强度和其他独特性能。

铝的强度主要受其微观结构的影响，就像许多其他材料一样。当合金的微观成分或“沉淀物”越细小且致密时，其强度就会越高。

考虑到这一点，他将铝与各种类型和浓度的元素结合起来，以模拟和预测所得合金的强度。但在Taheri-Mousavi未能得到更高的强度，于是她考虑是否可以借助机器学习的辅助。

Taheri-Mousavi在后续的实验研究中，继续根据课程想确定一种更合适的铝合金配方。这一次，她使用了机器学习技术，旨在有效地梳理元素属性等数据，以识别应该导致更理想结果或产品的关键联系和相关性。她发现机器学习方法很快就找到了一种铝合金的配方，且仅使用40种将铝与不同元素混合的组合，该合金具有比之前研究确定的更高的小沉淀物体积分数，因此强度更高。这种合金的强度甚至比他们在不使用机器学习的情况下模拟了超过100万种可能性后所能识别的强度还要高。

为了制备出这种新的坚固且析出细小沉淀物的合金，该团队意识到3D打印可以替代传统的金属铸造，因为在传统的金属铸造中，需要将熔融液态铝倒入模具中并冷却和硬化。冷却时间越长，单个沉淀物生长的可能性就越大。

他们考虑了激光床粉末熔融(LBPF)技术，可以在沉积另一层之前迅速凝固。该团队发现，LBPF固有的快速冷却和凝固使得他们的机器学习方法预测出小析出、高强度的铝合金成为可能。

根据他们的新铝合金配方，研究人员订购了一种可打印粉末的配方，使用LPBF系统打印了该合金的小样本，然后进行了多项测试，以测量合金的强度并对样品的微观结构进行成像。结果证实了他们最初的机器学习搜索所做的预测：打印的合金强度是铸造合金的五倍，比使用传统模拟设计的合金强50%。新合金的微观结构还包括较高体积分数的小沉淀物，并且在高达400℃的高温下保持稳定。

文章、来源：材料强化与防护

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