來源：3D科學(xué)谷 作者：3D科學(xué)谷 時間：2024-08-02 14:00:52 已閱：0次
鋁鋯鐵合金是一種特殊的合金材料，它結(jié)合了鋁、鋯和鐵的特性。鋁是一種輕質(zhì)、高導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能好的金屬，而鋯具有很高的耐蝕性、良好的高溫強度和抗高溫氧化性。鐵則是一種常見的結(jié)構(gòu)材料，具有較高的強度和硬度。這三種元素的結(jié)合可能用于制造具有特定性能要求的工業(yè)產(chǎn)品，例如在高溫、高壓或腐蝕性環(huán)境下使用的部件。
根據(jù)增材制造業(yè)界工程技術(shù)專家，出于許多令人信服的原因，許多行業(yè)正在用新型鋁合金Aheadd CP1 -鋁鋯鐵合金取代鋁鎂硅合金（如 F357 和 AlSi10Mg）。
不同尺度計算方法已成功用于增材制造鋁合金的設(shè)計與開發(fā)中，有效減少材料設(shè)計與開發(fā)的時間和成本，實現(xiàn)了高性能增材制造鋁合金的高效設(shè)計。
《金屬學(xué)報》
原子尺度的第一性原理計算可為增材制造鋁合金中固溶強化的元素選擇和添加量提供指導(dǎo)；原子尺度的分子動力學(xué)模擬對增材制造鋁合金的局部熔化、快速凝固過程以及組織的力學(xué)響應(yīng)等進行預(yù)測，為合金制備過程的工藝選擇和組織優(yōu)化提供指導(dǎo)；介觀尺度的計算熱力學(xué)，從合金打印性、晶粒細化、固溶強化、析出強化和熱處理等方面實現(xiàn)無裂紋增材制造鋁合金的成分設(shè)計和工藝優(yōu)化；介觀尺度的相場模擬，能對增材鋁合金制備過程中微觀組織演化進行研究，探討工藝參數(shù)對微觀組織的影響，為合金制備過程的工藝優(yōu)化和組織優(yōu)化提供指導(dǎo)；宏觀尺度的有限元模擬，對增材制造鋁合金制備過程中熱作用、成形控制、缺陷形成等進行預(yù)測和研究，易于指導(dǎo)工藝優(yōu)化。
《金屬學(xué)報》
由于減重是首要任務(wù)，許多制造商最近在 3D 打印從賽車到火箭等各種部件時都轉(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可以比鋁合金具有更好的強度重量比，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，鋁合金可以非常有效地實現(xiàn)這三個目標。
不過鋁合金之間也存在著相互替代的競爭關(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。
由于 CP1 是從無到有開始創(chuàng)建的，粉末生產(chǎn)的可擴展性和成分總體成本較低，經(jīng)過量身定制，并考慮到AM-增材制造工藝的特定嚴格性而設(shè)計，因此它避免了制造商在使用其他鋁合金時必須克服的一些挑戰(zhàn)。
雖然鋁是共同點，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（焊接時會導(dǎo)致孔隙），CP1 正逐漸成為需要使用傳統(tǒng)材料進行釬焊或焊接的應(yīng)用的首選合金。
CP1 的另一個好處是：使用 F357 打印零件后，制造商必須使用三個單獨的步驟對其進行熱處理，包括固溶處理、淬火和時效。雖然其他鋁硅鎂合金（包括 AlSi10Mg）更容易進行熱處理，但它們的其他材料特性（包括強度、耐腐蝕性和陽極氧化能力）并不符合許多應(yīng)用的需求。另一方面，CP1 部件只需要一個四小時的低溫處理過程，這可以節(jié)省大量時間和成本，并避免在高溫下處理時可能發(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 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械特性。這簡化了設(shè)置時間，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。測試表明，其導(dǎo)電性能指標等于或超過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 標準值約為 150W/mK，標準 AM 鈦合金 Ti6Al4V 約為 6.7W/mK。）
根據(jù)3D科學(xué)谷的市場觀察，計算輔助高性能增材制造鋁合金開發(fā)依然漸入佳境，根據(jù)《金屬學(xué)報》期刊發(fā)表的《計算輔助高性能增材制造鋁合金開發(fā)的研究現(xiàn)狀與展望》一文，詳細綜述了國內(nèi)外學(xué)者在計算輔助增材制造鋁合金設(shè)計與制備領(lǐng)域的研究成果，列舉了原子、介觀和宏觀尺度計算模擬及機器學(xué)習(xí)等計算方法輔助增材制造鋁合金設(shè)計的代表性案例，分析了不同計算方法輔助合金設(shè)計的策略，并指出其不足。最后，針對如何推動多尺度計算在高性能增材制造鋁合金開發(fā)中的應(yīng)用進行了展望，并指出其發(fā)展方向。
根據(jù)金屬學(xué)報，當(dāng)前不同尺度計算方法往往僅針對增材制造鋁合金“成分-工藝-組織-性能”的部分環(huán)節(jié)，嚴重制約了多尺度計算在增材制造領(lǐng)域的應(yīng)用。為此，未來可從以下2個方面來實現(xiàn)高性能增材制造鋁合金的高效開發(fā)。
第一，建立增材制造鋁合金的集成計算材料工程框架。旨在集成不同尺度的計算方法為一個整體系統(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設(shè)計方法與優(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，針對不同應(yīng)用背景與材料性能需求，開發(fā)對應(yīng)的多目標(如：無裂紋高強高導(dǎo)電、無裂紋高強高韌等)設(shè)計方法，實現(xiàn)增材制造新型高性能鋁合金的高效設(shè)計與開發(fā)。
3D科學(xué)谷認為新型鋁合金Aheadd CP1 -鋁鋯鐵合金的從無到有的誕生，正是說明了多尺度計算在高性能增材制造鋁合金開發(fā)中的價值。
文章轉(zhuǎn)載自：3D科學(xué)谷 http://www.3dsciencevalley.com/?p=37361
