麻省理工学院开发出3D打印高强铝合金

来源：滚动播报

（来源：中国航空报）

　　麻省理工学院的工程师们研发出一种可打印铝合金，它能够耐高温，强度是传统铝材的5倍。这种新型可打印金属由铝和其他元素混合而成，研究团队通过模拟和机器学习相结合的方式识别了这些元素，从而显著减少了需要搜索的材料组合数量。

　　传统方法需要模拟超过一百万种可能的材料组合，而该团队基于机器学习的新型方法只需评估40种可能的材料组合，即可确定高强度可打印铝合金的理想组合。当他们打印出这种合金并对所得材料进行测试时，团队确认，正如预期的那样，这种铝合金的强度与目前使用传统铸造方法制造的最强铝合金相当。

　　研究人员设想，这种新型可打印铝可以制成更坚固、更轻便、更耐高温的产品，例如，喷气发动机的风扇叶片。发动机风扇叶片传统上由钛合金铸造而成或由先进的复合材料制成，这些材料要么比铝重50%以上，要么成本比铝高出10倍。

　　“如果我们能够使用更轻、强度更高的材料，这将为交通运输行业节省大量能源。”麻省理工学院博士后、现任卡内基梅隆大学助理教授的穆哈德塞·塔赫里·穆萨维说道。“由于3D打印可以打印复杂的几何形状、节省材料并实现独特的设计，我们认为这种可打印合金也可以用于先进的真空泵、高端汽车和数据中心的冷却设备。”麻省理工学院教授兼机械工程系主任约翰·哈特补充道。哈特和穆萨维在《先进材料》杂志上发表的一篇论文中详细介绍了这种新型可打印铝设计。

微尺寸技术这项新研究源于

　　穆萨维2020年在麻省理工学院参加了一门课程，该课程由材料科学与工程系教授格雷格·奥尔森讲授。在课程中，学生们学习了如何使用计算机模拟来设计高性能合金。合金是由不同元素混合而成的材料，这些元素的组合赋予材料整体非凡的强度和其他独特性能。

　　奥尔森向全班同学提出了挑战，要求他们设计一种强度要高于迄今为止设计出的最强可打印铝合金的合金。与大多数材料一样，铝的强度很大程度上取决于其微观结构：微观成分（或称“沉淀物”）越小、越密集，合金的强度就越高。

　　考虑到这一点，该班学生使用计算机模拟，将铝与各种类型和浓度的元素系统地组合，以模拟和预测最终合金的强度。然而，这项实验未能产生更好的结果。课程结束时，穆萨维认识到，有时候，很多因素会对材料的特性产生非线性影响，让人不知所措，有了机器学习工具，它们可以指引研究者关注的重点，例如，某两个因素控制着某个特性。机器学习能让你更有效地探索设计空间。

层层递进

　　在这项新研究中，穆萨维延续了奥尔森课堂上的研究方向，这次旨在寻找一种强度更高的铝合金配方。她运用机器学习技术，高效梳理元素属性等数据，从而识别关键的关联和联系，最终获得更理想的结果或产品。

　　她发现，仅使用40种铝与不同元素的混合配方，机器学习方法就能快速锁定一种铝合金配方，这种铝合金的小析出相体积分数更高，因此强度也高于之前研究发现的强度。在模拟了超过100万种可能性后，该合金的强度甚至高于他们在不使用机器学习的情况下识别出的强度。

　　为了物理生产这种新型高强度小析出相合金，该团队意识到3D打印将是替代传统金属铸造的最佳方法。传统铸造是将熔融的铝液倒入模具中，然后冷却硬化。冷却时间越长，单个析出相生长的可能性就越大。

　　研究表明，3D打印（广义上也称为增材制造）可以更快地冷却和凝固铝合金。具体来说，他们考虑了激光床粉末熔合（LBPF）技术——该技术将粉末以所需的图案逐层沉积在表面上，然后用激光快速熔化粉末，并追踪图案。熔化的图案足够薄，可以在沉积另一层粉末并进行类似“打印”之前快速凝固。研究团队发现，LBPF固有的快速冷却和凝固特性使得他们的机器学习方法能够预测出小沉淀物、高强度的铝合金。

　　以往，研究者们必须考虑如何让一种材料与3D打印兼容，在这里，3D打印因其独特的工艺特性，尤其是快速的冷却速度而打开了一扇新的大门。合金在被激光熔化后会非常快速地凝固，从而赋予其一系列特殊的性能。

　　为了将想法付诸实践，研究人员根据新的铝合金配方订购了一种可打印粉末。他们将这种由铝和其他五种元素混合而成的粉末寄给了德国的合作者，合作者使用他们内部的LPBF系统打印了合金的小样品。随后，这些样品被送往麻省理工学院，在那里，团队进行了多项测试，以测量合金的强度并对样品的微观结构进行成像。

　　他们的研究结果证实了他们最初机器学习搜索的预测：打印合金的强度是铸造合金的5倍，比使用未采用机器学习的传统模拟设计的合金强度高出50%。这种新合金的微观结构还包含更高体积分数的小析出物，并且在高达400℃的高温下保持稳定，这对于铝合金来说是一个非常高的温度。

　　研究人员正在应用类似的机器学习技术来进一步优化合金的其他性能。穆萨维表示，新的方法为任何想要进行3D打印合金设计的人打开了新的大门。她的梦想是她们研究的铝合金能用于发动机风扇叶片。（麻省）