麻省理工學院通過 3D 打印將鋁的強度提高了 5 倍
麻省理工學院的工程師創造了一種新型鋁合金，可以進行 3D 打印，能夠承受極端高溫，並且達到遠遠超過傳統鋁的強度水平。測試表明，該材料的強度是使用標準製造技術製造的鋁的五倍。
該合金是通過將鋁與其他幾種元素相結合而生產的，並通過計算機模擬和機器學習相結合的過程進行選擇。這種方法大大縮小了對正確配方的搜索範圍。傳統方法需要評估超過一百萬種潛在的材料組合，但機器學習模型在確定理想配方之前將這一數字減少到只有 40 個有希望的選擇。
當研究人員打印合金並對其進行機械測試時，結果符合他們的預期。印刷金屬的性能與目前通過傳統鑄造生產的最堅固的鋁合金相當。
具有巨大工業潛力的較輕金屬
該團隊相信，新型可印刷鋁可以製造出更堅固、更輕、更耐熱的部件，包括噴氣發動機的風扇葉片。如今，這些葉片通常由鈦製成（鈦比鋁重 50%，成本高達鋁的 10 倍）或先進複合材料製成。
“如果我們能夠使用更輕、強度更高的材料，這將為交通運輸行業節省大量能源，”工程師塔赫里·穆薩維（Taheri Mousavi）說，他在麻省理工學院擔任博士後研究員，目前是卡內基梅隆大學的助理教授。
麻省理工學院機械工程系 1922 屆教授兼系主任約翰·哈特 (John Hart) 表示，其好處不僅限於航空領域。 “由於 3D 打印可以生產複雜的幾何形狀、節省材料並實現獨特的設計，因此我們認為這些可打印合金也可以用於先進的真空泵、高端汽車和數據中心冷卻設備。”
作品詳情出現在雜誌上 先進材料。麻省理工學院的合著者包括 Michael Xu、Clay Hauser、Xiaolu Wei、James LeBow 和 Greg Olson，其他合作者還有來自德國帕德博恩大學的 Florian Hengsbach 和 Mirko Schaper，以及來自卡內基梅隆大學的 Ji Chaoxuan Ji 和 Benjamin Glaser。
從挑戰課堂到破解材料
該項目源於 Taheri Mousavi 於 2020 年在麻省理工學院開設的一門課程，由材料科學與工程系實踐教授 Greg Olson 教授。該課程的重點是使用計算模擬來設計高性能合金。合金是由多種元素組合而成，具體組合決定了強度和其他關鍵性能。
奧爾森向學生們提出挑戰，要求他們開發一種比當時現有的任何鋁合金都更堅固的可打印鋁合金。鋁的強度很大程度上取決於其微觀結構，尤其是稱為“沉澱物”的小型內部元素的尺寸和密度。較小、更具粘性的礦床通常會產生更堅固的礦物。
學生們使用模擬來測試元素和濃度的不同組合，試圖預測哪種混合物會產生最強的合金。儘管進行了廣泛的建模，但這項工作並沒有優於現有的可打印鋁設計。這一結果促使塔赫里·穆薩維考慮採取不同的方法。
“在某些時候，有太多的因素對材料的特性產生非線性影響，你就會迷失方向，”塔赫里·穆薩維 (Taheri Mousavi) 說道。 “通過機器學習工具，它們可以引導你到需要關注的地方，並告訴你，例如，這兩個元素控制著這個功能。它可以讓你更有效地探索設計空間。”
使用機器學習重新設計鋁
在這項新研究中，塔赫里·穆薩維 (Taheri Mousavi) 繼續課堂項目的工作，應用機器學習方法來尋找更堅固的鋁合金。這些工具篩選元素屬性的數據，以揭示傳統模擬經常忽略的模式和關係。
通過分析 40 種候選成分，機器學習系統確定了一種合金設計，其小析出物的百分比比之前的嘗試高得多。這種結構直接轉化為更大的強度，超過了在沒有機器學習的情況下進行的超過一百萬次模擬所獲得的結果。
為了實際製造這種合金，研究人員轉向 3D 打印而不是傳統鑄造，傳統鑄造是將熔融鋁倒入模具中並使其緩慢冷卻。較長的冷卻時間會使沉積物變大，從而降低其強度。
該團隊表明，增材製造（也稱為 3D 打印）可以使金屬更快地冷卻和硬化。他們專注於激光粉末熔化（LBPF），這是一種通過激光選擇性熔化金屬粉末層並在添加下一層之前快速凝固的過程。這種快速冷凍保留了機器學習模型預測的沉澱物的精細結構。
“有時我們必須考慮如何使材料與 3D 打印兼容，”Hart 說。 “在這裡，3D 打印由於該工藝的獨特特性打開了一扇新的大門，尤其是快速冷卻速率。激光熔化後合金的快速冷凍創造了這組特殊的特性。”
測試證實了記錄的強度
為了驗證他們的設計，研究人員訂購了一批基於新合金配方的可打印金屬粉末。這種粉末由鋁製成，添加了五種附加元素，被送往德國的合作者，他們使用 LPBF 設備打印小型測試樣品。
然後這些樣本被運回麻省理工學院進行機械測試和微觀分析。結果證實了機器學習的預測。打印的合金比相同材料鑄造的合金強度高出五倍，比僅使用傳統模擬設計的鋁合金強度高出 50%。
顯微成像顯示出大量的小析出物，並且該合金在高達 400°C 的溫度下保持穩定，這對於鋁基材料來說是一個異常高的閾值。
研究團隊現在正在應用相同的機器學習技術來改善合金的其他性能。
“我們的方法為任何想要進行 3D 打印合金設計的人打開了新的大門，”Taheri Mousavi 說。 “我的夢想是有一天，乘客從飛機窗外望去時會看到我們的鋁合金發動機風扇葉片。”
