合金設計的案例
劉錦川院士團隊《APM》綜述：基于增材制造的先進鈦合金設計！
考慮到增材制造技術較高的成型自由度，實際上增材制造技術為降低這些難加工材料（如鈦合金）的加工成本并拓寬其應用場景提供了絕佳機會。
除了成型上的自由度外，增材制造在合金設計和處理方面的另一個優勢是其獨特的物理冶金過程。完全不同于傳統的制造過程，在增材制造期間，合金經歷了復雜的物理過程和熱歷史。例如，強烈的液體對流和元素擴散會影響熔池內合金熔體的化學均勻性；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，從而影響構件的晶粒結構和性能；此外，快速冷卻和快速熱循環也會導致合金具有獨特的微觀結構。如此復雜的熱歷史為合金設計同時帶來了挑戰和機遇。
因此，本文全面概述了增材制造技術在設計和制造鈦合金中的的“工藝-成分-組織-性能”關系。從增材制造過程中的復雜動力學-熱力學過程與鈦合金成分和微觀組織之間的相互作用出發，提出了一個關于先進合金設計的全新視角。首先，本文系統地回顧了增材制造工藝對幾種常用商業鈦合金微觀組織演變的影響。并總結了其中的微觀組織-力學性能之間的關系。隨后基于對復雜熱-動力學條件下微觀組織演化過程和路徑的深刻認識，我們總結現有的在不同尺度上設計具有獨特微觀結構的先進鈦合金的成功范例。最后，我們對合金設計與增材制造技術之間的關系提出了新的觀點，并且預計這將成為未來合金與工藝協同發展的趨勢。
創新點
系統地研究了增材制造技術和合金成分之間的相互作用，即合金的顯微組織和力學性能是由合金成分和增材制造工藝共同決定的。
展開 馬普所材料頂刊（IF31.041）：一種全新合金設計理念！實現兼具超強高韌、高熱穩定性合金
高性能結構材料的設計一直致力于追求卓越的力學強度、延展性和熱穩定性，然而這些性能通常難以兼得。雖然晶體-非晶復合合金通常具備比非晶態合金更高的延展性，但是晶體-非晶界面容易促進異質形核，不利于晶體-非晶復合合金的熱穩定性。
針對以上難點，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理論指導，提出了一種全新的合金設計理念，成功開發出兼具高熱穩定性、超強以及可塑性的晶體-非晶納米復合合金。這一合金設計理念模仿了自然界共生系統的穩定機制，因此這種合金被稱之為“共生合金”。相關工作近期發表于材料研究領域頂級期刊Materials Today（影響因子：31.041）。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.mattod.2021.10.025
通過設計制備Cr-Co-Ni（晶體相，18nm厚）/Ti-Zr-Nb-Hf-Cr-Co-Ni（非晶相，12nm厚）納米片層結構合金，實現了這種共生合金設計理念。研究發現，加熱或力學加載可促進Ni、Co從Cr-Co-Ni晶體相向Ti-Zr-Nb-Hf-Cr-Co-Ni非晶相的遷移。這一行為可以動態提升非晶相的負混合焓，從而動態穩定其非晶結構。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，加熱或力學加載可促進Cr-Co-Ni晶體相發生HCP到FCC相變，使得其具備優異的延展性。這一共生合金在室溫下具備3.6GPa的超高壓縮屈服強度以及15%的均勻塑性應變，這一綜合力學性能優于傳統的非晶合金以及納米片層合金。
展開 材料頂刊《Materials Today》：一種新的納米晶合金設計和結構調控概念！
納米晶軟磁合金具有獨特的α-Fe（Si）和非晶基體的雙納米相鑲嵌結構，兼具高飽和磁化強度、優異的軟磁性能和低磁致伸縮系數，其應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，因而具有廣闊的應用空間。然而，為了構建均勻細密的納米晶結構，通常都需要添加大量的促進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度，提高了生產工藝要求，增加了原材料的成本。
近日，香港城市大學劉錦川院士、王安定研究員和新疆大學李強教授等人提出了一種新的納米晶合金設計和結構調控概念，即設計不含促進形核和抑制擴散元素的新型合金，通過在臨界冷卻速率下快淬預制高密度的形核點，并通過類金屬瞬態富集界面以細化晶粒，獲得了均勻細密的納米晶結構。作者通過巧妙設計，僅以4.6wt.%的常見類金屬元素（B、Si、P和C）組合添加，即達到了穩定快淬非晶相和納米晶間基體相的作用，調和了飽和磁感應強度與形成能力間矛盾的同時，大幅提高了合金的高磁感納米晶合金工業化的可行性，還降低了合金的成本。
這種獨特的設計相當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強度。新概念設計的Fe85.5B10Si2P2C0.5合金的Bs 達1.87T，接近硅鋼，其均勻、細密的非晶-納米晶雙相結構使其具有優異的軟磁性能。這種異質結構和輕合金化策略為下一代磁性材料的開發提供了思路和借鑒。相關研究成果以題為Design of Fe-based nanocrystalline alloys with superior magnetization and Manufacturability發表在材料學頂級期刊Materials Today上，IF=26.416。
圖1 合金設計思路。
展開 中南大學《JMST》：一種高效的鑄造鋁合金設計新策略！
鑄造鋁合金由于密度小、鑄造流動性好、可塑性強等優點廣泛應用于汽車、航空航天和機械制造等重要領域。工業生產中，通常會在鑄造鋁合金中添加堿土金屬Sr來細化合金微觀組織以改善合金綜合力學性能。然而，采用傳統的“試錯法”難以實現高效的Sr改性鑄造鋁合金的成分設計。因此，如何對合金進行前期設計，預測合金微觀結構和性能，以高效開發具有優異性能的鑄造鋁合金對工業生產具有重大指導意義！
針對以上問題，中南大學張利軍教授團隊提出一種高效的合金設計新策略：耦合計算熱力學方法和機器學習技術，高效設計了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韌化機理。相關論文以題為“Efficient alloy design of Sr-modified A356 alloys driven by computational thermodynamics and machine learning”發表在材料科學期刊Journal of Materials Science & Technology上。
論文共同第一作者為中南大學的博士生
易旺
和碩士生
劉光琛
，通訊作者為中南大學的
張利軍
教授和
高建寶
博士，合作者包括桂林電子科技大學的盧照副研究員。
展開 
上海大學李重河教授團隊最新進展：應用于新型鈦合金設計Ti-Al-Fe-V四元體系的熱力學評估
Metals 2022, 12, 444.https://doi.org/10.3390/met12030444
[通訊作者介紹]
李重河,
上海大學材料科學與工程學院，研究員，上海市特種鑄造工程技術研究中心主任:
在鈦合金設計、TiAl合金定向凝固和特種耐火材料開發等領域有著多年的經驗和積累。累計得到三十多項國內外研究基金的資助，開展新材料設計、生產工藝的優化和新型化合物的合成及其性能預報等研究工作。近年來，應用理論計算和經驗設計相結合的材料設計方法，進行鈦合金、鈦合金用耐火材料、金屬間化合物、復氧化物和熔鹽體系的中間化合物等方面的研究。在材料領域權威刊物上累計發表論文100余篇，授權專利40余項。
展開 《Nature Commun》：高性能輕量化高熵合金的高通量設計
，人們在設計高級鐵素體高溫合金方面有顯著的提高。
另辟蹊徑，實現3D打印超級鈦合金
相比于傳統增材制造鈦合金而言，具有微米級成分梯度的鈦合金一方面在拉伸過程中，亞穩定β相發生明顯的應力誘發馬氏體行為和相變誘導塑性，從而極大地改善了增材制造鈦合金的均勻變形和加工硬化能力，均勻延伸率提高了一倍以上；另一方面，高度彌散分布的超細馬氏體組織有效地維持了材料的高屈服強度（~1GPa），避免了傳統TRIP鈦合金低屈服強度情況的出現；其三，Fe、Cr等元素的添加對于增材制造鈦合金的晶粒細化起到了明顯的作用。這些合金化元素可以有效提升鈦合金凝固過程中的成分過冷能力，阻止了常規粗大柱狀晶的形成。因此打印態的TI64-(4.5%)316L合金的晶粒尺寸只有約16微米，是目前所有增材制造鈦合金中所能實現的最小晶粒尺寸之一，
綜上所述，研究者創造性地將成分調制的概念和3D打印結合起來，另辟蹊徑地設計出具有微米級成分梯度結構的合金設計策略。本研究工作不僅將增材制造原位合金化中的成分不均勻性變廢為寶，成功用來設計成分非均勻的高性能合金材料，更是極大地開拓了增材制造技術的想象空間，使得這項技術不僅僅被用作復雜構件的成型技術，更可以被開發為一種全新的合金設計和制造方法，從而有力地推動增材制造技術實現“材料-結構-性能”一體化智能設計的夢想。
圖1 微米尺度成分梯度結構和由此產生的熔巖狀微觀結構。
圖2 Ti64-x316L的微觀組織和力學性能。其中Ti64-(4.5%)316L合金具有良好的強度-均勻延伸率組合。抗拉強度高達1.3 GPa的同時具有9%的均勻變形能力。
圖3 Ti64-(4.5%)316L合金在拉伸過程中產生應力誘發馬氏體，極大地提升了合金的加工硬化能力和均勻變性能力。
圖4 合金元素對材料成分過冷能力的影響。
展開 ADSTEFAN成功應用于發動機鋁合金壓鑄缸體模具設計
寧波市北侖輝旺鑄模實業有限公司在V6汽車發動機鋁合金壓鑄缸體模具設計中一次試模成功，打破了國外對于這一領域的技術壟斷,給我國壓鑄界帶來了振奮，猶如一束溫暖的陽光，給處于寒冬中的同行企業帶來了發展的希望。
寧波市北侖輝旺鑄模實業有限公司地處東海之濱寧波市北侖區大矸鎮，是中國壓鑄模骨干企業聯合體成員單位，亦是“模具之鄉”重點骨干私營企業之一。 在2003年就引進了日本的模流分析軟件ADSTEFAN， 長期以來在設計模具時都是先把設計方案確定后，用ADSTEFAN軟件對方案進行模擬分析論證，然后與用戶一起商討，充分做好前期論證工作，在有充分把握的前提下進行制模，所以輝旺公司設計的大部分模具試模都是一次成功。
展開 劉錦川院士《Science》：超高強度+高塑性合金！
近日，由國際著名材料科學家香港城市大學劉錦川院士領銜的學術團隊與香港理工大學、北京工業大學、中國科學院金屬研究所和中南大學合作，報道了一種新型高強度高塑性的超合金。相關成果以題為“Multicomponent intermetallic nanoparticles and superb mechanical behaviors of complex alloys”發表在《Science》上。
論文鏈接：
http://science.sciencemag.org/content/362/6417/933
由于強度和塑性的矛盾關系，開發具有高強度和高塑性的先進材料一直是一項富有挑戰的研究。例如，近期北京科技大學新金屬材料國家重點實驗室呂昭平教授團隊打破人們對傳統間隙固溶強化的認知，發現間隙原子的添加不僅能提高合金的強度，也能大幅度提高合金的塑性，并提出了一種設計高強度高塑性金屬材料的新的合金設計思路。國際頂級學術期刊《Nature》11月14日在線發表了呂昭平教授團隊繼去年超高強鋼后又一突破性研究進展。詳情點擊→北科大呂昭平又發《Nature》！同時提高強度和塑性。
劉錦川團隊以塑性無序多組分基體FCC型Fe-Co-Ni和塑性有序的多組分Ti-Al金屬間化合物納米顆粒進行復合，實現了強度與塑性的平衡。基于這一原理，研究團隊設計了一系列超合金，其中 (FeCoNi)86-Al7Ti7 (Al7Ti7) 合金室溫拉伸斷裂強度超過1500MPa，延伸率仍高達50%。
展開 MIT新發現: 熱穩定相變納米晶合金中的高溫誘發細晶現象
典型的再結晶現象可能會導致暫時的晶粒尺寸減小，而近期合金設計可以使晶粒停滯生長的納米晶材料趨于熱力學穩定。但晶粒并未收縮，因此在高溫下，考慮到熱力學趨勢，會缺少降低晶粒尺寸從而使界面生成的機制。本文中，作者通過設計同素異形相轉變的納米晶合金，回避了界面生成這一范式。作者證明在Fe-Au合金經歷α? γ 轉變循環，高溫相具有穩定的比低溫相更細的晶粒。
【圖文導讀】
圖1：晶粒生長的示意圖。
圖2：納米晶穩定性分布圖。
圖3：Fe95Au5納米晶中的原位晶粒生長和相轉變。
(a)α-Fe和γ-Fe的晶粒尺寸隨時間的變化情況；
(b)帶有Au納米偏析物的α-Fe顯微結構及其轉變為γ-Fe的示意圖。
圖4：不同納米晶合金中晶粒尺寸隨轉變過程退火溫度變化情況的匯總比較。
【小結】
納米晶Fe-Au合金的反直覺行為回避了晶粒生長的常規范式：通過將再結晶類似的事件（相轉變）和穩定納米晶合金設計標準相結合，可在高溫下得到一個更低且穩定的晶粒大小。相轉變使體系煥然一新，得到新的平衡晶粒尺寸，比前述的確定溶質的低溫相尺寸更小。作者證明這一行為可以循環多次，因此該方法通過晶界偏析提供了一個納米晶熱力學穩定性的臨界測試。同時，還使得不同溶質的合金設計中部分或全部相穩定，從而可在較寬的溫度范圍內保持納米晶相。這種合金可在較高溫度下表現出優異的力學性能，可能優于低溫下的性質。
展開 選用鉆桿耐磨帶焊絲的3個關鍵因素
事實上，第一次堆焊的耐磨帶合金和產品，將影響后續的復焊操作，以及復焊耐磨帶合金和產品的選用。
三、新技術、新工藝
新技術、新工藝指的是耐磨帶產品的廠商，通過自身的研發能力，對于石油鉆探行業需求的及時響應，以及對應的技術、工藝、產品。耐磨帶產品廠商除了不斷追求更好的焊接外觀、更強的耐磨性能、更穩定的產品品質外，在一些新興需求面前，廠商們也在不斷努力。目前，值得關注的新技術、新工藝有以下幾種。
*無磁耐磨帶
在無磁鉆具上，常見的做法是堆焊不銹鋼合金材料。雖然堆焊不銹鋼合金材料，能提供保護性能，但遠遠達不到最終用戶的預期。因為具有實力的耐磨帶產品廠商都在研發或已經推出了無磁耐磨帶合金和產品，通常，這類產品能提供不銹鋼合金材料4-5倍的耐磨效果。
*無須預熱的堆焊工藝
通常，耐磨帶的焊接需要對鉆桿接頭進行預熱。針對一些不具備或者不考慮預熱工藝的用戶需求，耐磨帶廠商通過產品合金設計調整，可以實現不預熱直接堆焊，并且耐磨帶的硬度仍保持在設計區間，且完全沒有裂紋。
*無須保護氣體的堆焊工藝
在一些海外現場復焊客戶的需求反饋下，北京固本率先在市場上完成了無須保護氣體的堆焊工藝研究。經測試和實踐表明，在完全不需要任何保護氣體的情況下堆焊北京固本耐磨帶焊絲產品，產品硬度達到要求，且沒有裂紋。這一工藝的實現，解決了中東、非洲等地區現場堆焊的特殊需求。
*低溫焊接工藝
隨著鉆桿的管內涂層工藝逐漸得到國內鉆桿生產企業的關注，隨之而來的問題是復焊時，由于焊接溫度過高，導致鉆桿內壁涂層失效。北京固本進行的專項工藝研究，通過合金調整和工藝設計，確保堆焊過程中鉆桿的受熱溫度控制在特定范圍內，耐磨帶的復焊工作不會影響內涂層的性能。
展開 
新金屬材料國家重點實驗室的計算利器—UltraLAB工作站配置推薦
新金屬材料國家重點實驗室主要研究方向新型金屬合金的設計、制備、性能表征等，涉及到材料科學與工程的多個方面。具體的研究內容包括新型合金的組成設計、熱處理工藝、力學性能研究等。
§ 發現多種具有優異性能的新型結構金屬間化合物
§ 發展多種新型非晶合金和亞穩金屬材料制備方法
§ 研發多種具有高強度、高韌性、高導電性等優異性能的新一代基礎金屬材料
§ 設計、合成了多種具有新型功能的新金屬功能材料
§ 發展多種高效、綠色、可控的材料制備新技術
§ 建立多種合金設計與模擬理論與方法
§ 研發多種先進高溫合金
在這個領域的研究中，可能會用到一些材料模擬和計算工具，包括：
1) 第一性原理計算軟件：例如 VASP（Vienna Ab initio Simulation Package）、Quantum ESPRESSO 等，用于從頭算得到材料的電子結構和性質。
2) 分子動力學模擬軟件：例如 LAMMPS、GROMACS 等，用于模擬材料的原子尺度動力學行為。
3) 晶體結構建模軟件：例如 Materials Studio、VESTA 等，用于建立和分析晶體結構。
4) 有限元分析軟件：例如 Abaqus、ANSYS，用于分析材料的力學性能。
5) 金屬材料相圖軟件：例如 Thermo-Calc，用于預測合金的相平衡和相圖。
在計算性能需求方面，第一性原理計算通常對計算資源有較高的要求，因為這些計算是基于從頭算的量子力學計算，可以受益于多核 CPU 和高性能計算集群。一些分子動力學模擬軟件和有限元分析軟件也可以進行多核并行計算。
展開 高硬度類碳化鎢耐磨焊絲與碳化鎢合金具有相同的耐磨性
? 在堆焊同樣的工件時，類碳化鎢焊絲比碳化鎢合金節約50%的材料成本
北京固本類碳化鎢焊絲產品
C
Cr
Mn
Si
Mo
Ni
W
Nb
其他
KB99
獨家合金設計，大量高硬度的類燒結碳化鎢粒子
WC
KB999
獨家合金設計，大量高硬度的類碳化鎢粒子
WC
KB998
獨家合金設計，大量高硬度的類碳化鎢粒子及鎳合金
WC,Ni
基本參數
直徑：1.6mm
重量：15公斤
包裝：盤裝焊絲，內包裝真空塑封袋，外包裝防水紙盒
焊接工藝：二保焊/氣保焊
焊接參數
直徑
焊接電流
焊接電壓
保護氣體
保護氣體流量
焊絲伸出長度
焊接速度
焊槍傾角
電流類型
1.6mm
220-280A
22-28V
純二氧化碳或純氬氣
20L/min
15-20mm
展開 鋁合金薄壁殼體低壓鑄造工藝方案設計
摘要
針對鋁合金薄壁殼體生產中，縮松、縮孔缺陷多，力學性能差的問題，本研究設計了底注式和縫隙式相結合的澆注系統，綜合運用鑄造數值模擬仿真、響應面分析等手段，優化了鑄造工藝方案。結果表明：優化后的鋁合金薄壁殼體無縮松、縮孔缺陷，二次枝晶間距減小了10.87%，顯著提升了鑄件的力學性能。通過金相分析，驗證了本低壓鑄造工藝方案的正確性。
隨著碳中和概念的提出，節能環保再一次成為人們關注的熱點問題。這也促使機械制造業朝著輕量化發展，鋁合金鑄造作為制造業重要的一環，為了達到輕量化的要求，鑄件的壁厚越來越薄也是必然的趨勢。但鋁合金薄壁件具有難以成形、缺陷多的特點，造成這類零件良品率低的問題。
本文以鋁合金薄壁殼體為研究對象，在建模軟件CATIA中建立帶有澆注系統的三維模型，應用Procast對鑄件鑄造成形過程進行數值模擬計算。根據計算結果，優化設計澆注系統，再利用Design-expert軟件設計響應面試驗，優化鑄造工藝方案，最后進行冷卻系統設計。最終獲得了成形質量高且力學性能良好的鋁合金薄壁殼體鑄件。
1 原工藝分析
1.1 鑄件結構與原始澆注系統
本文研究對象為鋁合金薄壁殼體，鋁合金牌號為A356。其外觀如圖1所示，鑄件特征為形狀細而長，縱向高度差異大，壁厚較薄的異型鋁合金殼體。鑄件尺寸為：733.5 mm×230.6 mm×495 mm；鑄件壁厚大多在6 mm，且存在大量加強筋和肋板，鑄件左側高度明顯高于右側，使得鑄件左側相比右側難以補縮。根據鑄件幾何特征，初步設計澆注系統如圖2所示。
展開 鋁合金分流器等溫鍛造工藝設計
圖2 成形模擬分析
同時，原鑄件圖上所有的出模角度均為1°，由于鋁合金在鍛造過程中容易粘模，鍛造出模斜度通常設計為5°～7°，但較大的出模斜度會增加材料消耗。跟客戶溝通后，將鍛件的外拔模斜度設計為3°，內拔模斜度設計為5°。
另外，機加工單位根據產品的加工工藝要求，提出在鍛件上增加三個機加工工藝壓塊，厚度為10～15mm,壓塊寬10mm左右。綜合考慮這些要求，最終設計的鍛件圖如圖3所示。
圖3 最終鍛件圖設計
鍛件技術要求
⑴材質。
鋁合金是以鋁為基體，加入錳、鎂、銅、硅、鐵、鎳、鋅等各種元素而形成的。根據成分和工藝性能不同，鋁合金分為變形鋁合金和鑄造鋁合金兩大類，如圖4所示。
圖4 鋁合金分類
原壓鑄工藝生產時，所用的材料為A380鑄鋁合金，屬于Al-Si-Cu系合金，含硅高，易于鑄模，便于機械加工，熱傳導好。產品抗拉強度要求為320MPa，屈服強度為160MPa，伸長率為3.5%，與此強度相對應的鍛造鋁材有6系Al-Mg-Si系材料，其中6061的強度在330MPa左右，其加工性能極佳，且具有良好的抗腐蝕性、韌性高及加工后不變形，材料致密無缺陷等優良特點。因此，我們選用6061作為鍛造鋁材。
⑵熱處理要求。
要求采用T6熱處理工藝，即固溶+時效處理。其中，固溶處理：530±5℃(4h)，淬水（水溫60±10℃），時效處理：175±3℃(保溫8h)
組織及性能要求：
1)硬度≥80HB（約47HRB）。
2)機械性能（屈服強度≥241MPa、抗拉強度≥262MPa、A≥7%）。
3)金相組織：無過燒。
⑶其他技術要求。
1)鍛件表面不允許有裂紋、夾雜等，表面需光滑。磕碰傷不大于2.5mm×1.5mm×1.0mm。
2)切邊毛刺不大于0.3mm。
展開 