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《【Journal of the Mechanics and Physics of Solids】在汽车工业中，可打印的铝合金系统可以平衡强度和成本》

  • 来源专题：新能源汽车
  • 编译者： 王晓丽
  • 发布时间：2025-05-08

  • 研究机构：卡内基梅隆大学（联合麻省理工学院）

    研究人员：Mohadeseh Taheri-Mousavi（助理教授）、Benjamin Glaser（博士生）

    核心研究内容：

    1.新型合金体系设计

    成分创新：开发Al-Ni-Er-Zr-Y五元铝合金体系，通过快速凝固析出亚稳相提升强度

    性能突破：


    • 高温场景：保持基准可打印铝合金95%强度，预期净成本降低15%
    • 常温场景：匹配传统合金强度，成本降低80%（对比钛合金Ti-64成本减半）


    技术支撑：


    • 结合CALPHAD（高通量相图计算）与ICME（集成计算材料工程）框架引入机器学习加速成分-工艺-结构-性能关系探索
    2.增材制造技术应用
    • 工艺优势：激光增材制造实现10^5–10^8 K/s超高冷却速率，形成独特纳米级析出相
    • 微观调控：通过快速凝固抑制平衡相生成，定向调控L12-Al3Er/Zr/Y强化相


    3.应用场景拓展


    • 面向内燃机活塞（耐高温）、喷气发动机叶片（轻量化）、真空泵组件（高强耐蚀）
    • 替代传统钛合金，解决钛合金重量高（密度超铝60%）、不可加工性及成本倍增问题


    技术亮点：


    • 可持续性突破：合金设计集成成本/碳排放核算模型，单件生产能耗降低30%
    • 工业兼容性：适配现有激光粉末床熔融（LPBF）设备，无需新增制造产线


    原文链接：Benjamin Glaser et al, Computational design of additively manufacturable, cost-effective, high-strength aluminum alloys exploiting rapid solidification, Journal of the Mechanics and Physics of Solids (2025). DOI: 10.1016/j.jmps.2025.106120

  • 原文来源：https://techxplore.com/news/2025-05-printable-aluminum-alloy-strength-automotive.html
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相关报告

  • 《新型3D打印铝合金具有轻量化结构和超强抗疲劳性能》
    • 来源专题：工业强基
    • 编译者：张欣
    • 发布时间：2024-07-05
    • 据估计，超过80%的工程故障是由于材料疲劳造成的，因此与金属疲劳故障的斗争仍在继续，因为这是所有机械系统（如飞机、汽车和能源生产系统）轻量化结构的关键参数。近日，香港城市大学（城大）与上海交通大学的联合研究取得突破，利用先进的3D打印技术制造出具有前所未有的抗疲劳性能的铝合金。新的抗疲劳策略可应用于其他3D打印合金，以帮助为各行业开发具有更高负载效率的轻质部件。 大约两个世纪前就发现了金属中的疲劳现象。从那时起，疲劳失效已成为所有动态机械系统（例如飞机、汽车和核电站中的系统）的寿命和可靠性中最重要的问题之一。传统金属的疲劳强度通常低于其拉伸强度的一半。疲劳强度低主要是由材料中的多尺度缺陷引起的，这些缺陷随着循环载荷的作用而不断生长和演变，形成宏观裂纹并最终扩展成更大的裂纹，从而破坏整个材料结构，这种具有挑战性的现象也发生在增材制造（3D 打印）生产的合金中，限制了 3D 打印材料的进一步应用。 为了克服3D打印合金以及所有金属材料的抗疲劳性低的问题，城大和上海交通大学的联合研究团队使用了激光粉末床熔融 （LPBF）——一种最广泛使用的金属增材制造技术技术——成功地用TiB2纳米颗粒装饰的 AlSi10Mg粉末制造了一种新型铝合金。这种3D打印纳米TiB2装饰的AlSi10Mg（NTD-铝合金）的抗疲劳性能是其他3D打印铝合金的两倍以上，并超过了高强度变形AI合金。 这些发现以“通过增材制造实现AlSi10Mg 合金的超高疲劳强度”为题发表在《自然材料》杂志上，并在《科学》杂志的“研究亮点”中得到了专题报道，该杂志将其描述为其他合金提高抗疲劳强度的总体策略抗疲劳性。 研究小组使用微计算机断层扫描技术研究了这种3D打印的NTD铝合金，并在整个样品中发现了典型的连续3D双相细胞纳米结构，该结构由平均直径约为500纳米的凝固细胞结构网络组成。3D双相蜂窝纳米结构充当坚固的体积纳米笼，可防止局部损坏累积，从而抑制疲劳裂纹的萌生。 研究人员表示：“由于快速凝固，合金内部增材制造产生的纳米共晶硅（Si）的三维网络可以阻止位错的运动，从而抑制疲劳裂纹的萌生。通过工艺优化控制缺陷，大块NTD铝合金的疲劳极限优于所有现有铝合金。” 在一系列疲劳测试中，研究团队发现，打印的块体NTD铝合金的抗疲劳强度达到260MPa，是其他增材制造铝合金的两倍多。大块NTD铝合金的高疲劳强度极限超过了所有其他铝合金，包括具有有限冶金缺陷的传统高强度变形铝合金。 NTD铝合金已应用于制造大型薄壁结构原型，包括高疲劳强度的飞机发动机风扇叶片，并成功通过了合格的疲劳试验。 这些发现表明，我们的合金对于疲劳性能是关键设计标准的行业所需的轻质结构具有潜在的适用性。我们的合金可以通过提高运动部件的负载效率来帮助减轻重量。结合3D打印的优势，最新发现将促进现代工业的轻量化设计并减少碳排放。同样的策略也可以用于其他材料，以帮助解决金属增材制造中的疲劳失效挑战。
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  • 《铝合金的新制造工艺》
    • 来源专题：纳米科技
    • 编译者：郭文姣
    • 发布时间：2019-06-19
    • 太平洋西北国家实验室的研究人员最近证明了一种先进的制造工艺，可以直接从高性能铝合金粉末生产纳米结构棒和管 - 一步到位。 采用新型固相处理方法，研究团队取消了铝合金粉末传统挤压加工过程中所需的几个步骤，同时还显着提高了产品的延展性（材料在断裂前可以拉伸多远）。 这对汽车行业这样的行业来说是个好消息，因为制造业的高成本历史上限制了粉末制成的高强度铝合金的使用。 该团队的研究在2019年6月出版的Materialia上发表的论文“由摩擦挤出制成的粉末高延展性铝合金”中有所描述。 走出常规挤压 由粉末制成的高性能铝合金长期以来一直用于轻型部件，用于专业航空航天应用，其成本不是限制因素。然而，这些合金通常对于汽车工业来说太昂贵。 铝合金粉末的典型挤出工艺是能量和工艺密集的，需要多个步骤来批量生产材料。首先，必须将松散的粉末装入罐中并使用真空除去气体，这被称为“脱气”。然后将罐密封，热压，预热，并放入挤压机中。在挤出之后，将罐移除或“滗析”，以显示由固结粉末制成的挤出部件。 在这项研究中，该团队取消了许多这些步骤，使用PNNL的剪切辅助加工和挤出技术或ShAPE™直接从粉末中挤出纳米结构铝棒。 铝合金直接从粉末冶金，罐装，脱气，热等静压，脱罐和钢坯预热中挤出 在ShAPE™工艺中，将粉末 - 在这种情况下，由Kymera International的分公司SCM Metal Products，Inc。提供的Al-12.4TM铝合金粉末 - 倒入敞口容器中。然后将旋转挤出模头压入粉末中，在粉末和模头之间的界面处产生热量。该材料柔软且易于挤出，无需罐装，脱气，热压，预热和滗析。 “这是第一个使用ShAPE™等单步工艺将铝合金粉末合并成纳米结构挤压件的实例，”负责该研究的PNNL材料科学家Scott Whalen说。 他补充说：“消除加工步骤和预热需求可以大大缩短生产时间，降低产品的成本和整体嵌入能量，这对于想要制造乘用车的汽车制造商来说可能是有益的。为消费者提供更实惠，更轻便，更省油的产品。“ 除了提供Al-12.4TM粉末外，SCM Metals Products，Inc。还进行了机械测试，以验证所得材料的性能。 PNNL和SCM Metal Products，Inc。目前正在合作开展DOE技术转型办公室的项目，以扩大更大直径挤压的工艺。 延展性 - 这是一种拉伸 消除加工步骤和减少加热并不是团队唯一成功的发现。 虽然高性能铝合金历史上表现出优异的强度，但它们通常受到延展性差的阻碍。 然而，该团队发现ShAPE™生产的挤出的延展性得到显着改善，测量的延展性是传统挤出产品的两到三倍，并且具有相同的强度。 为了理解延展性显着增加的原因，使用透射电子显微镜来评估粉末和挤出材料的微观结构。 结果表明，ShAPE™方法改进了粉末中的第二相 - 非铝材料的微小强化颗粒。 ShAPE™可将颗粒缩小至纳米级尺寸，并将其均匀分布在整个铝基体中，从而提高延展性。 ——文章发布于2019年6月18日
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