超越铝硅镁合金，被许多增材制造用户采用！

| 3DScienceValley · 2024/07/23

铝锆铁合金是一种特殊的合金材料，它结合了铝、锆和铁的特性。铝是一种轻质、高导电和导热性能好的金属，而锆具有很高的耐蚀性、良好的高温强度和抗高温氧化性。铁则是一种常见的结构材料，具有较高的强度和硬度。这三种元素的结合可能用于制造具有特定性能要求的工业产品，例如在高温、高压或腐蚀性环境下使用的部件。

根据增材制造业界工程技术专家，出于许多令人信服的原因，许多行业正在用新型铝合金Aheadd CP1 -铝锆铁合金取代铝镁硅合金（如 F357 和 AlSi10Mg）。

▲ 加速技术发展

不同尺度计算方法已成功用于增材制造铝合金的设计与开发中，有效减少材料设计与开发的时间和成本，实现了高性能增材制造铝合金的高效设计。

《金属学报》

原子尺度的第一性原理计算可为增材制造铝合金中固溶强化的元素选择和添加量提供指导；原子尺度的分子动力学模拟对增材制造铝合金的局部熔化、快速凝固过程以及组织的力学响应等进行预测，为合金制备过程的工艺选择和组织优化提供指导；介观尺度的计算热力学，从合金打印性、晶粒细化、固溶强化、析出强化和热处理等方面实现无裂纹增材制造铝合金的成分设计和工艺优化；介观尺度的相场模拟，能对增材铝合金制备过程中微观组织演化进行研究，探讨工艺参数对微观组织的影响，为合金制备过程的工艺优化和组织优化提供指导；宏观尺度的有限元模拟，对增材制造铝合金制备过程中热作用、成形控制、缺陷形成等进行预测和研究，易于指导工艺优化。

《金属学报》

▲ 金属粉末制粉技术
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更好的性能

由于减重是首要任务，许多制造商最近在 3D 打印从赛车到火箭等各种部件时都转向使用轻质铝硅镁合金（如 F357 和 AlSi10Mg）。根据应用情况，更昂贵的钛合金确实可以比铝合金具有更好的强度重量比，而铜合金可以提供更好的传热系数。镁合金可能支持较低的密度和更高的电化学电位。但是，当寻求优化增材制造 (AM) 部件的成本、性能和可制造性时，铝合金可以非常有效地实现这三个目标。

不过铝合金之间也存在着相互替代的竞争关系，就在2023年左右，一种新型铝合金 – Aheadd CP1 – 已超越铝硅镁合金，被许多 AM-增材制造用户采用。CP1 是一种铝锆铁合金，由全球领先的铝产品和解决方案提供商 Constellium 专为金属激光粉末床熔融 (LPBF) 3D打印工艺设计。

由于 CP1 是从无到有开始创建的，粉末生产的可扩展性和成分总体成本较低，经过量身定制，并考虑到AM-增材制造工艺的特定严格性而设计，因此它避免了制造商在使用其他铝合金时必须克服的一些挑战。

虽然铝是共同点，但 CP1 含有锆和铁，而 F357、AlSi10Mg 和类似合金含有硅和镁。由于固相线温度高且不含镁（这使其更适合钎焊）和硅（焊接时会导致孔隙），CP1 正逐渐成为需要使用传统材料进行钎焊或焊接的应用的首选合金。

CP1 的另一个好处是：使用 F357 打印零件后，制造商必须使用三个单独的步骤对其进行热处理，包括固溶处理、淬火和时效。虽然其他铝硅镁合金（包括 AlSi10Mg）更容易进行热处理，但它们的其他材料特性（包括强度、耐腐蚀性和阳极氧化能力）并不符合许多应用的需求。另一方面，CP1 部件只需要一个四小时的低温处理过程，这可以节省大量时间和成本，并避免在高温下处理时可能发生的热变形。除了固有的耐腐蚀性能外，CP1 还表现出高达 300°C 的稳定微观结构，使成品部件能够在热交换器等有价值的高温应用中更好地保持其性能。

由于 CP1 材料是各向同性的，3D科学谷了解到目前已证明，无论其几何形状在构建板上如何定向，由它制成的零件都具有相同的机械特性。这简化了设置时间，并使 AM-增材制造工程师可以优化其他所需属性，例如表面粗糙度或性能。

CP1 成分的一个重要附带好处是，其一步热处理可沉淀锆和铁相，从而形成几乎纯的铝基体，具有高电导率和热导率。测试表明，其导电性能指标等于或超过了一些更昂贵的非铝合金。（热处理后 CP1 的热导率为 187W/mK；F357 标准值约为 150W/mK，标准 AM 钛合金 Ti6Al4V 约为 6.7W/mK。）

更好的合金

根据3D科学谷的市场观察，计算辅助高性能增材制造铝合金开发依然渐入佳境，根据《金属学报》期刊发表的《计算辅助高性能增材制造铝合金开发的研究现状与展望》一文，详细综述了国内外学者在计算辅助增材制造铝合金设计与制备领域的研究成果，列举了原子、介观和宏观尺度计算模拟及机器学习等计算方法辅助增材制造铝合金设计的代表性案例，分析了不同计算方法辅助合金设计的策略，并指出其不足。最后，针对如何推动多尺度计算在高性能增材制造铝合金开发中的应用进行了展望，并指出其发展方向。