铝合金是工业制造中使用最广泛的轻质金属材料之一，但在3D打印领域，铝合金的应用一直受到可打印性和力学性能之间的矛盾限制。麻省理工学院（MIT）的研究团队近日宣布，他们利用机器学习技术加速材料开发，成功研发出一种可3D打印的高强度铝合金，其强度达到传统铸造铝的5倍。
铝合金3D打印的固有矛盾
在SLM粉末床熔融工艺中，材料需要经历快速熔化和冷却的过程，冷却速率可达每秒数百万摄氏度。这种极端的热历史对材料的冶金特性提出了特殊要求。传统的高强度铸造铝合金在SLM工艺中容易出现热裂纹——这是由于在快速凝固过程中，合金中的某些元素偏析形成低熔点共晶相，在凝固收缩应力的作用下产生裂纹。
为了解决热裂纹问题，材料科学家通常的做法是调整合金成分，加入特定元素来抑制裂纹。但这种方法高度依赖经验和反复试错，一种新合金的配方开发通常需要数月甚至数年的实验验证周期。MIT团队采用机器学习来破解这一难题，将开发周期从数年缩短到了数周。
机器学习加速材料筛选
研究团队首先构建了一个包含数百种已知铝合金成分、工艺参数和打印结果的大型数据库。这些数据来自公开的学术文献、专利和实验数据集。基于这些数据，他们训练了一个深度学习模型，能够根据合金的化学成分预测其在SLM工艺中的可打印性和预期力学性能。
ML模型的训练过程本身并不复杂，关键在于数据的质量和标注的一致性。研究团队花了大量精力对分散在不同来源的数据进行标准化处理，确保训练数据的一致性和可比性。经过训练后，模型能够在数秒内评估数千种虚拟合金配方的表现，筛选出最有潜力的候选成分进行实验验证。
在实际验证中，ML模型推荐的合金配方在SLM打印测试中表现出优异的热裂纹抗性。经过参数优化后，打印出的铝合金样品在拉伸测试中的屈服强度达到了600 MPa以上——这是传统铸造铝合金（如A356）典型强度值的约5倍。更令人惊讶的是，该合金在400摄氏度的高温环境下仍然能够保持约70%的室温强度，展现出优异的高温力学性能稳定性。
从实验室到工业应用
MIT团队开发的这种高强度铝合金在航空航天和汽车轻量化领域具有广阔的应用前景。在航空航天领域，发动机和结构件常常在高温和复杂载荷条件下工作，对材料的室温和高温力学性能同时提出了很高的要求。传统的高温合金如镍基超合金虽然性能优异，但密度大、成本高。高强度铝合金作为轻质替代方案具有明显的减重和降本优势。
在汽车领域，轻量化是提升电动车续航里程的关键技术路径。目前电动车白车身的铝化率已经相当高，但大量铝制零件仍然采用铸造工艺制造。3D打印铝合金部件的加入，可以在实现同等减重效果的同时，提供更高的设计自由度和集成化程度。
研究团队表示，下一步将重点推动这一新型铝合金的工程化验证和商业化，包括规模化粉末制备工艺的开发、打印参数窗口的拓展和关键应用场景的认证测试。团队已经与多家航空航天和汽车制造企业建立了合作联系。
来源：ScienceDaily