合金設(shè)計(jì)
關(guān)注創(chuàng)建者：匿名 創(chuàng)建時(shí)間：2021-11-16
合金設(shè)計(jì)的視頻教程
UG培訓(xùn)第十六課：鋁合金T型槽產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
鋁合金T型槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一種新型的機(jī)械連接結(jié)構(gòu)，輕量化搭接結(jié)構(gòu)，不用焊接，廣泛用于汽車和建筑家具行業(yè)。 本次課程主要內(nèi)容如下： T型槽類產(chǎn)品以及嵌件特點(diǎn)； 緊固件選項(xiàng)：滑塊螺母+T型螺母； 連接方式； 模塊化設(shè)計(jì)思維。
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合金設(shè)計(jì)的實(shí)例教程
考慮到增材制造技術(shù)較高的成型自由度，實(shí)際上增材制造技術(shù)為降低這些難加工材料（如鈦合金）的加工成本并拓寬其應(yīng)用場景提供了絕佳機(jī)會(huì)。
除了成型上的自由度外，增材制造在合金設(shè)計(jì)和處理方面的另一個(gè)優(yōu)勢是其獨(dú)特的物理冶金過程。完全不同于傳統(tǒng)的制造過程，在增材制造期間，合金經(jīng)歷了復(fù)雜的物理過程和熱歷史。例如，強(qiáng)烈的液體對流和元素?cái)U(kuò)散會(huì)影響熔池內(nèi)合金熔體的化學(xué)均勻性；陡峭的溫度梯度和超高的冷卻速度決定了金屬在冷卻過程中的凝固模式，從而影響構(gòu)件的晶粒結(jié)構(gòu)和性能；此外，快速冷卻和快速熱循環(huán)也會(huì)導(dǎo)致合金具有獨(dú)特的微觀結(jié)構(gòu)。如此復(fù)雜的熱歷史為合金設(shè)計(jì)同時(shí)帶來了挑戰(zhàn)和機(jī)遇。
因此，本文全面概述了增材制造技術(shù)在設(shè)計(jì)和制造鈦合金中的的“工藝-成分-組織-性能”關(guān)系。從增材制造過程中的復(fù)雜動(dòng)力學(xué)-熱力學(xué)過程與鈦合金成分和微觀組織之間的相互作用出發(fā)，提出了一個(gè)關(guān)于先進(jìn)合金設(shè)計(jì)的全新視角。首先，本文系統(tǒng)地回顧了增材制造工藝對幾種常用商業(yè)鈦合金微觀組織演變的影響。并總結(jié)了其中的微觀組織-力學(xué)性能之間的關(guān)系。隨后基于對復(fù)雜熱-動(dòng)力學(xué)條件下微觀組織演化過程和路徑的深刻認(rèn)識(shí)，我們總結(jié)現(xiàn)有的在不同尺度上設(shè)計(jì)具有獨(dú)特微觀結(jié)構(gòu)的先進(jìn)鈦合金的成功范例。最后，我們對合金設(shè)計(jì)與增材制造技術(shù)之間的關(guān)系提出了新的觀點(diǎn)，并且預(yù)計(jì)這將成為未來合金與工藝協(xié)同發(fā)展的趨勢。
創(chuàng)新點(diǎn)
系統(tǒng)地研究了增材制造技術(shù)和合金成分之間的相互作用，即合金的顯微組織和力學(xué)性能是由合金成分和增材制造工藝共同決定的。
展開 高性能結(jié)構(gòu)材料的設(shè)計(jì)一直致力于追求卓越的力學(xué)強(qiáng)度、延展性和熱穩(wěn)定性，然而這些性能通常難以兼得。雖然晶體-非晶復(fù)合合金通常具備比非晶態(tài)合金更高的延展性，但是晶體-非晶界面容易促進(jìn)異質(zhì)形核，不利于晶體-非晶復(fù)合合金的熱穩(wěn)定性。
針對以上難點(diǎn)，來自德國馬克斯普朗克鋼鐵研究所（馬普所）等單位的研究人員通過熱力學(xué)理論指導(dǎo)，提出了一種全新的合金設(shè)計(jì)理念，成功開發(fā)出兼具高熱穩(wěn)定性、超強(qiáng)以及可塑性的晶體-非晶納米復(fù)合合金。這一合金設(shè)計(jì)理念模仿了自然界共生系統(tǒng)的穩(wěn)定機(jī)制，因此這種合金被稱之為“共生合金”。相關(guān)工作近期發(fā)表于材料研究領(lǐng)域頂級(jí)期刊Materials Today（影響因子：31.041）。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.mattod.2021.10.025
通過設(shè)計(jì)制備Cr-Co-Ni（晶體相，18nm厚）/Ti-Zr-Nb-Hf-Cr-Co-Ni（非晶相，12nm厚）納米片層結(jié)構(gòu)合金，實(shí)現(xiàn)了這種共生合金設(shè)計(jì)理念。研究發(fā)現(xiàn)，加熱或力學(xué)加載可促進(jìn)Ni、Co從Cr-Co-Ni晶體相向Ti-Zr-Nb-Hf-Cr-Co-Ni非晶相的遷移。這一行為可以動(dòng)態(tài)提升非晶相的負(fù)混合焓，從而動(dòng)態(tài)穩(wěn)定其非晶結(jié)構(gòu)。因此，該共生合金的晶化溫度（TX>973K）比初始TiZrNbHf基非晶相提高了200K。另外，加熱或力學(xué)加載可促進(jìn)Cr-Co-Ni晶體相發(fā)生HCP到FCC相變，使得其具備優(yōu)異的延展性。這一共生合金在室溫下具備3.6GPa的超高壓縮屈服強(qiáng)度以及15%的均勻塑性應(yīng)變，這一綜合力學(xué)性能優(yōu)于傳統(tǒng)的非晶合金以及納米片層合金。
展開 納米晶軟磁合金具有獨(dú)特的α-Fe（Si）和非晶基體的雙納米相鑲嵌結(jié)構(gòu)，兼具高飽和磁化強(qiáng)度、優(yōu)異的軟磁性能和低磁致伸縮系數(shù)，其應(yīng)用是解決硅鋼電器的高損耗，非晶器件的高噪聲和大體積等問題的最佳方案，因而具有廣闊的應(yīng)用空間。然而，為了構(gòu)建均勻細(xì)密的納米晶結(jié)構(gòu)，通常都需要添加大量的促進(jìn)形核和抑制晶粒長大元素，這些非磁性元素的添加大大降低了磁化強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)工藝要求，增加了原材料的成本。
近日，香港城市大學(xué)劉錦川院士、王安定研究員和新疆大學(xué)李強(qiáng)教授等人提出了一種新的納米晶合金設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)調(diào)控概念，即設(shè)計(jì)不含促進(jìn)形核和抑制擴(kuò)散元素的新型合金，通過在臨界冷卻速率下快淬預(yù)制高密度的形核點(diǎn)，并通過類金屬瞬態(tài)富集界面以細(xì)化晶粒，獲得了均勻細(xì)密的納米晶結(jié)構(gòu)。作者通過巧妙設(shè)計(jì)，僅以4.6wt.%的常見類金屬元素（B、Si、P和C）組合添加，即達(dá)到了穩(wěn)定快淬非晶相和納米晶間基體相的作用，調(diào)和了飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度與形成能力間矛盾的同時(shí)，大幅提高了合金的高磁感納米晶合金工業(yè)化的可行性，還降低了合金的成本。
這種獨(dú)特的設(shè)計(jì)相當(dāng)于將同等鐵含量的硅鋼納米晶化，去除晶界對軟磁性能的惡劣影響，并保留了α-Fe相的超高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度。新概念設(shè)計(jì)的Fe85.5B10Si2P2C0.5合金的Bs 達(dá)1.87T，接近硅鋼，其均勻、細(xì)密的非晶-納米晶雙相結(jié)構(gòu)使其具有優(yōu)異的軟磁性能。這種異質(zhì)結(jié)構(gòu)和輕合金化策略為下一代磁性材料的開發(fā)提供了思路和借鑒。相關(guān)研究成果以題為Design of Fe-based nanocrystalline alloys with superior magnetization and Manufacturability發(fā)表在材料學(xué)頂級(jí)期刊Materials Today上，IF=26.416。
圖1 合金設(shè)計(jì)思路。
展開 鑄造鋁合金由于密度小、鑄造流動(dòng)性好、可塑性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于汽車、航空航天和機(jī)械制造等重要領(lǐng)域。工業(yè)生產(chǎn)中，通常會(huì)在鑄造鋁合金中添加堿土金屬Sr來細(xì)化合金微觀組織以改善合金綜合力學(xué)性能。然而，采用傳統(tǒng)的“試錯(cuò)法”難以實(shí)現(xiàn)高效的Sr改性鑄造鋁合金的成分設(shè)計(jì)。因此，如何對合金進(jìn)行前期設(shè)計(jì)，預(yù)測合金微觀結(jié)構(gòu)和性能，以高效開發(fā)具有優(yōu)異性能的鑄造鋁合金對工業(yè)生產(chǎn)具有重大指導(dǎo)意義！
針對以上問題，中南大學(xué)張利軍教授團(tuán)隊(duì)提出一種高效的合金設(shè)計(jì)新策略：耦合計(jì)算熱力學(xué)方法和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，高效設(shè)計(jì)了A356鑄造鋁合金中Sr的最佳添加量，深入探討了Sr改性鑄造鋁合金的強(qiáng)韌化機(jī)理。相關(guān)論文以題為“Efficient alloy design of Sr-modified A356 alloys driven by computational thermodynamics and machine learning”發(fā)表在材料科學(xué)期刊Journal of Materials Science & Technology上。
論文共同第一作者為中南大學(xué)的博士生
易旺
和碩士生
劉光琛
，通訊作者為中南大學(xué)的
張利軍
教授和
高建寶
博士，合作者包括桂林電子科技大學(xué)的盧照副研究員。
展開 Metals 2022, 12, 444.https://doi.org/10.3390/met12030444
[通訊作者介紹]
李重河,
上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，研究員，上海市特種鑄造工程技術(shù)研究中心主任:
在鈦合金設(shè)計(jì)、TiAl合金定向凝固和特種耐火材料開發(fā)等領(lǐng)域有著多年的經(jīng)驗(yàn)和積累。累計(jì)得到三十多項(xiàng)國內(nèi)外研究基金的資助，開展新材料設(shè)計(jì)、生產(chǎn)工藝的優(yōu)化和新型化合物的合成及其性能預(yù)報(bào)等研究工作。近年來，應(yīng)用理論計(jì)算和經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)相結(jié)合的材料設(shè)計(jì)方法，進(jìn)行鈦合金、鈦合金用耐火材料、金屬間化合物、復(fù)氧化物和熔鹽體系的中間化合物等方面的研究。在材料領(lǐng)域權(quán)威刊物上累計(jì)發(fā)表論文100余篇，授權(quán)專利40余項(xiàng)。
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分子動(dòng)力學(xué)模擬可以在皮秒-納秒時(shí)間尺度上“放大”熔化過程，為合金設(shè)計(jì)、焊接工藝及失效分析提理論支撐。本案例基于CP2K軟件，模擬金屬銅棒在高溫下的熔化過程。
2025 FLOW-3D中國用戶大會(huì)圓滿落幕6個(gè)月前
在渦殼離心鑄造工藝上的應(yīng)用》為題作報(bào)告
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</p><p> </p><p>GMJA1000<span style="color: rgb(25, 27, 31);">-V</span>系列手提泵吸式多合一檢測儀采用全鋁合金材質(zhì)設(shè)計(jì)，外觀打氣時(shí)尚，結(jié)實(shí)耐用；操作也是非常簡單，客戶只需一鍵開機(jī)，即可主動(dòng)采樣，并在觸摸屏上實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前實(shí)測值，監(jiān)測狀態(tài)一目了然；智能校準(zhǔn)功能，有無標(biāo)氣一樣調(diào)；模塊化設(shè)計(jì)，方便后期維護(hù)；大容量存儲(chǔ)芯片，可輕松存儲(chǔ)
3.6動(dòng)態(tài)性能
鋁合金通過筋板設(shè)計(jì)，可以讓移動(dòng)軸更輕便。花崗巖，可以通過鉆孔的方式來減少本身的重量，但體積往往要大于鋁合金，也比鋁合金更重。
工業(yè)陶瓷因其超高的“剛度/質(zhì)量比”，基本無需使用筋板或只使用簡單的筋板就可以保證強(qiáng)度，并且由于密度比其他材質(zhì)小，重量小、強(qiáng)度高，是非常適宜做X軸橫梁和Z軸的材料。
本研究成功設(shè)計(jì)了Mo和NbMoTi合金的參數(shù)，并且證明數(shù)值模擬結(jié)果可以協(xié)助開發(fā)新合金的SLM參數(shù)設(shè)計(jì)，克服了設(shè)計(jì)高熵合金參數(shù)的困難。
新金屬材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主要研究方向新型金屬合金的設(shè)計(jì)、制備、性能表征等，涉及到材料科學(xué)與工程的多個(gè)方面。具體的研究內(nèi)容包括新型合金的組成設(shè)計(jì)、熱處理工藝、力學(xué)性能研究等。
[12] 項(xiàng)文杰，佟志國．鋁合金壓鑄件設(shè)計(jì)要點(diǎn)[J]．科技資訊，2017(27):102-104.
[13] 張曉陸．多抽芯壓鑄模設(shè)計(jì)及制造[J]．模具制造，2007(8):64-67.
文章來源：機(jī)電工程技術(shù)
隨著協(xié)同制造理念的發(fā)展，熱處理工藝的研究人員也逐漸和鎳基鑄造高溫合金研發(fā)人員開展合作，將熱處理工藝和合金成分設(shè)計(jì)結(jié)合起來，在鎳基高溫合金研發(fā)的初期就開始考慮合金最佳的熱處理工藝，使鎳基鑄造高溫合金達(dá)到最好的使用性能。
因此，新設(shè)計(jì)的鋁合金前防撞梁系統(tǒng)的0.054s加載時(shí)間要短于原鋼制前防撞梁系統(tǒng)的0.065s加載時(shí)間。
如圖4.2所示，本次仿真的有限元模型中在橫梁前端面和背板分別設(shè)置了能夠輸出位移、速度等一系列情況的節(jié)點(diǎn)39106和節(jié)點(diǎn)113448。
為提高安全性及可靠性，飛機(jī)設(shè)計(jì)選材由追求高靜強(qiáng)度法逐漸向高損傷容限法轉(zhuǎn)變，要求鋁合金材料應(yīng)該具備更高的斷裂韌性值和更高的抗應(yīng)力腐蝕開裂值，在鋁合金材料的設(shè)計(jì)和熱處理工藝研究中都需要著重考慮提高斷裂韌性值和抗應(yīng)力腐蝕開裂值。
