不同尺度計(jì)算方法已成功用于增材制造鋁合金的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)中，有效減少材料設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)的時(shí)間和成本，實(shí)現(xiàn)了高性能增材制造鋁合金的高效設(shè)計(jì)。
《金屬學(xué)報(bào)》
原子尺度的第一性原理計(jì)算可為增材制造鋁合金中固溶強(qiáng)化的元素選擇和添加量提供指導(dǎo)；原子尺度的分子動(dòng)力學(xué)模擬對(duì)增材制造鋁合金的局部熔化、快速凝固過(guò)程以及組織的力學(xué)響應(yīng)等進(jìn)行預(yù)測(cè)，為合金制備過(guò)程的工藝選擇和組織優(yōu)化提供指導(dǎo)
；介觀尺度的計(jì)算熱力學(xué)
，從合金打印性
、晶粒細(xì)化
、固溶強(qiáng)化、析出強(qiáng)化和熱處理等方面實(shí)現(xiàn)無(wú)裂紋增材制造鋁合金的成分設(shè)計(jì)和工藝優(yōu)化
；介觀尺度的相場(chǎng)模擬，能對(duì)增材鋁合金制備過(guò)程中微觀組織演化進(jìn)行研究
，探討工藝參數(shù)對(duì)微觀組織的影響
，為合金制備過(guò)程的工藝優(yōu)化和組織優(yōu)化提供指導(dǎo)
；宏觀尺度的有限元模擬
，對(duì)增材制造鋁合金制備過(guò)程中熱作用、成形控制
、缺陷形成等進(jìn)行預(yù)測(cè)和研究，易于指導(dǎo)工藝優(yōu)化
。
《金屬學(xué)報(bào)》
由于減重是首要任務(wù)
，許多制造商最近在 3D 打印從賽車(chē)到火箭等各種部件時(shí)都轉(zhuǎn)向使用輕質(zhì)鋁硅鎂合金（如 F357 和 AlSi10Mg）。根據(jù)應(yīng)用情況
，更昂貴的鈦合金確實(shí)可以比鋁合金具有更好的強(qiáng)度重量比
，而銅合金可以提供更好的傳熱系數(shù)。鎂合金可能支持較低的密度和更高的電化學(xué)電位
。但是，當(dāng)尋求優(yōu)化增材制造 (AM) 部件的成本
、性能和可制造性時(shí)
，鋁合金可以非常有效地實(shí)現(xiàn)這三個(gè)目標(biāo)。
不過(guò)鋁合金之間也存在著相互替代的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系
，就在2023年左右，一種新型鋁合金 – Aheadd CP1 – 已超越鋁硅鎂合金
，被許多 AM-增材制造用戶采用。CP1 是一種鋁鋯鐵合金
，由全球領(lǐng)先的鋁產(chǎn)品和解決方案提供商 Constellium 專為金屬激光粉末床熔融 (LPBF) 3D打印工藝設(shè)計(jì)。
由于 CP1 是從無(wú)到有開(kāi)始創(chuàng)建的
，粉末生產(chǎn)的可擴(kuò)展性和成分總體成本較低
，經(jīng)過(guò)量身定制，并考慮到AM-增材制造工藝的特定嚴(yán)格性而設(shè)計(jì)
，因此它避免了制造商在使用其他鋁合金時(shí)必須克服的一些挑戰(zhàn)。
雖然鋁是共同點(diǎn)
，但 CP1 含有鋯和鐵
，而 F357、AlSi10Mg 和類似合金含有硅和鎂
。由于固相線溫度高且不含鎂（這使其更適合釬焊）和硅（焊接時(shí)會(huì)導(dǎo)致孔隙），CP1 正逐漸成為需要使用傳統(tǒng)材料進(jìn)行釬焊或焊接的應(yīng)用的首選合金
。
CP1 的另一個(gè)好處是：使用 F357 打印零件后
，制造商必須使用三個(gè)單獨(dú)的步驟對(duì)其進(jìn)行熱處理
，包括固溶處理
、淬火和時(shí)效。雖然其他鋁硅鎂合金（包括 AlSi10Mg）更容易進(jìn)行熱處理
，但它們的其他材料特性（包括強(qiáng)度
、耐腐蝕性和陽(yáng)極氧化能力）并不符合許多應(yīng)用的需求。另一方面
，CP1 部件只需要一個(gè)四小時(shí)的低溫處理過(guò)程
，這可以節(jié)省大量時(shí)間和成本
，并避免在高溫下處理時(shí)可能發(fā)生的熱變形
。除了固有的耐腐蝕性能外，CP1 還表現(xiàn)出高達(dá) 300°C 的穩(wěn)定微觀結(jié)構(gòu)
，使成品部件能夠在熱交換器等有價(jià)值的高溫應(yīng)用中更好地保持其性能。
由于 CP1 材料是各向同性的
，3D科學(xué)谷了解到目前已證明
，無(wú)論其幾何形狀在構(gòu)建板上如何定向，由它制成的零件都具有相同的機(jī)械特性
。這簡(jiǎn)化了設(shè)置時(shí)間，并使 AM-增材制造工程師可以優(yōu)化其他所需屬性
，例如表面粗糙度或性能
。
CP1 成分的一個(gè)重要附帶好處是，其一步熱處理可沉淀鋯和鐵相
，從而形成幾乎純的鋁基體，具有高電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率
。測(cè)試表明
，其導(dǎo)電性能指標(biāo)等于或超過(guò)了一些更昂貴的非鋁合金。（熱處理后 CP1 的熱導(dǎo)率為 187W/mK
；F357 標(biāo)準(zhǔn)值約為 150W/mK，標(biāo)準(zhǔn) AM 鈦合金 Ti6Al4V 約為 6.7W/mK
。）
根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)觀察
，計(jì)算輔助高性能增材制造鋁合金開(kāi)發(fā)依然漸入佳境
，根據(jù)《金屬學(xué)報(bào)》期刊發(fā)表的《計(jì)算輔助高性能增材制造鋁合金開(kāi)發(fā)的研究現(xiàn)狀與展望》一文
，詳細(xì)綜述了國(guó)內(nèi)外學(xué)者在計(jì)算輔助增材制造鋁合金設(shè)計(jì)與制備領(lǐng)域的研究成果，列舉了原子
、介觀和宏觀尺度計(jì)算模擬及機(jī)器學(xué)習(xí)等計(jì)算方法輔助增材制造鋁合金設(shè)計(jì)的代表性案例，分析了不同計(jì)算方法輔助合金設(shè)計(jì)的策略
，并指出其不足
。最后
，針對(duì)如何推動(dòng)多尺度計(jì)算在高性能增材制造鋁合金開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用進(jìn)行了展望，并指出其發(fā)展方向
。
根據(jù)金屬學(xué)報(bào)，當(dāng)前不同尺度計(jì)算方法往往僅針對(duì)增材制造鋁合金“成分-工藝-組織-性能”的部分環(huán)節(jié)
，嚴(yán)重制約了多尺度計(jì)算在增材制造領(lǐng)域的應(yīng)用
。為此
，未來(lái)可從以下2個(gè)方面來(lái)實(shí)現(xiàn)高性能增材制造鋁合金的高效開(kāi)發(fā)
。
第一，建立增材制造鋁合金的集成計(jì)算材料工程框架
。旨在集成不同尺度的計(jì)算方法為一個(gè)整體系統(tǒng)
，建立增材制造鋁合金“成分-工藝-組織-性能”的定量關(guān)系。
第二
，發(fā)展高性能增材制造鋁合金的多目標(biāo)設(shè)計(jì)方法與優(yōu)化策略/技術(shù)
。基于集成材料工程建立增材制造鋁合金“成分-工藝-組織-性能”定量關(guān)系
，針對(duì)不同應(yīng)用背景與材料性能需求
，開(kāi)發(fā)對(duì)應(yīng)的多目標(biāo)(如：無(wú)裂紋高強(qiáng)高導(dǎo)電、無(wú)裂紋高強(qiáng)高韌等)設(shè)計(jì)方法
，實(shí)現(xiàn)增材制造新型高性能鋁合金的高效設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)。
3D科學(xué)谷認(rèn)為新型鋁合金Aheadd CP1 -鋁鋯鐵合金的從無(wú)到有的誕生
，正是說(shuō)明了多尺度計(jì)算在高性能增材制造鋁合金開(kāi)發(fā)中的價(jià)值。
文章轉(zhuǎn)載自：3D科學(xué)谷 http://www.3dsciencevalley.com/?p=37361
