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原文作者：Jennifer Chu | MIT News
突破性进展：强度创纪录的可打印铝合金或将实现飞机部件的轻量化
麻省理工学院（MIT）的工程师们开发出一种可3D打印的铝合金，它不仅能承受高温，而且强度比传统制造的铝合金高出五倍。
这种新型可打印金属由铝与其他元素的混合物构成。研究团队利用模拟和机器学习相结合的方法，大大缩短了筛选潜在材料组合的时间。传统方法需要模拟超过100万种材料组合，而团队采用的机器学习方法仅评估了40种可能的成分，就确定了高强度、可打印铝合金的理想配方。
当他们打印出这种合金并测试所得材料时，结果证实了预测：这种铝合金的强度达到了目前传统铸造方法所能制造的最强铝合金水平。
研究人员设想，这种新型可打印铝合金可用于制造更坚固、更轻、更耐温的产品，例如喷气发动机中的风扇叶片。传统上，风扇叶片由钛制造——钛的重量比铝重50%以上，成本也高出10倍——或者由先进复合材料制成。
“如果我们能使用更轻、强度更高的材料，这将为交通运输业节省大量能源，”领导这项工作的MIT博士后、现任卡内基梅隆大学助理教授的Mohadeseh Taheri-Mousavi表示。
MIT机械工程系主任、1922届终身教授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设计，我们认为这种可打印合金还可用于先进真空泵、高端汽车和数据中心的冷却设备。”
Hart和Taheri-Mousavi在《Advanced Materials》期刊上发表的论文中详细介绍了这种新型可打印铝合金的设计。论文的MIT合著者包括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，还有卡内基梅隆大学的Zhaoxuan Ge和Benjamin Glaser。
微观尺寸的魔力
这项新工作源于Taheri-Mousavi在2020年参加的一门MIT课程，该课程由材料科学与工程系的Greg Olson教授讲授。课程中，学生们学习使用计算模拟来设计高性能合金。合金是由不同元素的混合物构成的材料，其组合赋予材料卓越的强度和其他独特性能。
Olson向全班同学提出了挑战：设计一种比迄今为止最强的可打印铝合金更坚固的铝合金。与大多数材料一样，铝的强度在很大程度上取决于其微观结构：其微观组成部分，即“析出物”（precipitates），越小、越密集，合金就越坚固。
为此，全班同学使用计算机模拟，系统地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。然而，这次练习未能产生更强的结果。课程结束时，Taheri-Mousavi想知道：机器学习能否做得更好？
“在某个时刻，有很多因素非线性地影响材料的性能，你会感到迷失，”Taheri-Mousavi说。“有了机器学习工具，它们可以帮你锁定需要关注的重点，比如告诉你这两种元素控制着这个特性。它能让你更高效地探索设计空间。”
逐层构建
在新的研究中，Taheri-Mousavi接续了Olson课程的工作，目标是确定更优的铝合金配方。这次，她采用了旨在高效梳理元素性质等数据的机器学习技术，以识别出能够带来更理想结果或产品的关键联系和相关性。
她发现，仅使用40种混合了铝与其他元素的配方，他们的机器学习方法就迅速锁定了一种铝合金配方，该合金具有比以往研究确定的更高体积分数的小析出物，因此强度更高。这种合金的强度甚至高于不使用机器学习进行100万次模拟所能识别出的结果。
为了实际制造这种新型坚固、小析出物合金，团队意识到3D打印是比传统金属铸造更好的选择。传统铸造是将熔融的液态铝倒入模具中，然后使其冷却硬化。冷却时间越长，单个析出物就越有可能长大。
研究人员证明，3D打印（也称为增材制造）可以成为冷却和固化铝合金的更快方法。具体来说，他们研究了激光粉末床熔融（LBPF）技术——这种技术通过逐层沉积粉末，然后用激光快速熔化按所需图案绘制的粉末。熔化后的图案足够薄，在沉积下一层并同样进行“打印”之前就能快速凝固。团队发现，LBPF固有地快速冷却和凝固特性，实现了机器学习方法所预测的小析出物、高强度铝合金。
研究合作者John Hart说：“有时我们必须考虑如何使材料与3D打印兼容。在这里，3D打印开辟了一扇新大门，这得益于该过程的独特特性——特别是快速冷却速率。激光熔化合金后极快的凝固速度，形成了这种特殊的性能集。”
为了将他们的想法付诸实践，研究人员订购了一种基于他们新铝合金配方的可打印粉末配方。他们将这种粉末（铝和五种其他元素的混合物）发送给德国的合作者，合作者使用他们内部的LPBF系统打印出合金的小样本。样本随后被送回MIT，团队在那里进行了多次测试，以测量合金的强度并成像其微观结构。
他们的结果证实了初始机器学习搜索的预测：打印出的合金比铸造的对应物强度高五倍，比不使用机器学习的传统模拟设计的合金强度高50%。新合金的微观结构也包含更高体积分数的小析出物，并且在高达400摄氏度的高温下保持稳定——这对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。
“我们的方法为任何想进行3D打印合金设计的人开启了新的大门，”Taheri-Mousavi说。“我的梦想是，有一天，乘客从飞机舷窗望出去，看到的就是由我们的铝合金制造的发动机风扇叶片。”
这项工作有一部分是在MIT.nano的表征设施中完成的。
图注：新型3D打印铝合金的强度高于传统铝合金。这归功于一个关键配方，该配方在打印时会产生铝（图中棕色部分）以及纳米级的析出物（浅蓝色部分）。这些析出物以规则的纳米级图案（圆圈内嵌图中的蓝色和绿色部分）排列，赋予打印合金卓越的强度。
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