Алюминий для 3D-печати, который в 5 раз прочнее, чем обычные сплавы

Инженеры MIT создали новый алюминиевый сплав, предназначенный для 3D-печати, который выдерживает высокую температуру и в пять раз прочнее алюминия, изготовленного традиционным производством.

Чтобы найти правильную формулу, исследователи объединили алюминий с другими элементами и использовали симуляции наряду с машинным обучением для сузения поиска. Вместо того чтобы запускать симуляции более чем 1 миллиона потенциальных комбинаций материалов, как это требуют традиционные подходы, их метод машинного обучения сократил объём работы до всего 40 кандидатных композиций. Из них они выделили перспективную смесь, направленную на получение высокопрочного алюминиевого сплава, который можно печатать.

После печати нового сплава и тестирования его характеристик команда обнаружила, что результаты соответствуют их прогнозам. Материал достиг прочности, сопоставимого с прочными алюминиевыми сплавами, производимыми в настоящее время традиционными методами литья.

Лёгкая прочность для экстремальных условий

Исследователи предполагают, что новый печатный алюминий можно превратить в более прочные, лёгкие и термоустойчивые изделия, такие как лопасти вентилятора в реактивных двигателях. Лопасти вентилятора традиционно отливаются из титана — материала, который более чем на 50 процентов тяжелее и до 10 раз дороже алюминия — или изготавливаются из современных композитов.

«Если мы сможем использовать более лёгкие, высокопрочные материалы, это сэкономит значительное количество энергии для транспортной отрасли», — говорит Мохадесех Тахери-Мусави, который руководил этим постдоком в MIT и сейчас является ассистентом профессора в Университете Карнеги-Меллона.

«Поскольку 3D-печать может создавать сложные геометрии, экономить материалы и создавать уникальные конструкции, мы рассматриваем этот печатный сплав как нечто, что также можно использовать в современных вакуумных насосах, высококлассных автомобилях и охлаждающих устройствах для дата-центров», — добавляет Джон Харт, профессор выпуска 1922 года и заведующий кафедрой машиностроения MIT.

Харт и Тахери-Мусави приводят подробности о новом печатном алюминиевом дизайне в статье, опубликованной в журнале Advanced Materials. Соавторами статьи в MIT являются Майкл Сюй, Клей Хаузер, Шаолоу Вэй, Джеймс Лебо и Грег Олсон, а также Флориан Хенгсбах и Мирко Шапер из Университета Падерборн в Германии, а также Чжаосюань Ге и Бенджамин Глазер из Университета Карнеги-Меллона.

Микроразмеризация

Новая работа выросла из курса в MIT, который Тахери-Мусави проходил в 2020 году, который вел Грег Олсон, профессор практики на кафедре материаловедения и инженерии. В рамках занятия студенты изучали использование вычислительных моделей для проектирования высокопроизводительных сплавов. Сплавы — это материалы, изготовленные из смеси различных элементов, сочетание которых придаёт материалу исключительную прочность и другие уникальные свойства.

Олсон бросил вызов классу — создать алюминиевый сплав, который был бы прочнее прочного печатаемого алюминиевого сплава, разработанного на тот момент. Как и в большинстве материалов, прочность алюминия во многом зависит от его микроструктуры: чем меньше и плотнее упакованы его микроскопические компоненты, или «осадки», тем прочнее будет сплав.

С учётом этого курс использовал компьютерные симуляции для методического сочетания алюминия с различными типами и концентрациями элементов, чтобы моделировать и предсказать прочность полученного сплава. Однако это упражнение не принесло более сильного результата. В конце занятия Тахери-Мусави задумался: может ли машинное обучение сделать лучше?

«В какой-то момент появляется множество факторов, которые нелинейно влияют на свойства материала, и ты теряешься», — говорит Тахери-Мусави. «С помощью инструментов машинного обучения они могут указать тебе, где нужно сосредоточиться, и, например, сказать, что эти два элемента управляют этой функцией. Это позволяет эффективнее исследовать пространство дизайна.»

Слой за слоем

В новом исследовании Тахери-Мусави продолжила там, где остановился курс Олсона, на этот раз стремясь выявить более мощный рецепт для алюминиевого сплава. На этот раз она использовала методы машинного обучения, предназначенные для эффективного анализа данных, таких как свойства элементов, чтобы выявить ключевые связи и корреляции, которые должны привести к более желательному результату или продукту.

Она обнаружила, что, используя всего 40 композиций, смешивающих алюминий с разными элементами, их подход машинного обучения быстро пришёл к рецепту алюминиевого сплава с большей долей мелких осадков и, следовательно, более прочностью, чем было определено в предыдущих исследованиях. Прочность сплава была даже выше, чем они смогли определить после моделирования более миллиона вариантов без использования машинного обучения.

Для физического производства этого нового прочного сплава с мелкими осадками команда поняла, что лучше использовать 3D-печать вместо традиционного металлического литья, при котором расплавленный жидкий алюминий заливается в форму и оставляется остывать и затвердеть. Чем дольше это время охлаждения, тем выше вероятность роста отдельного осадка.

Исследователи показали, что 3D-печать, широко известная как аддитивное производство, может быть более быстрым способом охлаждения и затвердевания алюминиевого сплава. В частности, они рассматривали лазерное порошковое слияние (LBPF) — технику, при которой порошок наносится слой за слоем на поверхность в нужном рисунке, а затем быстро плавится лазером, который проводит по узору. Расплавленный узор достаточно тонкий, чтобы быстро затвердеть, прежде чем наносится следующий слой и аналогично «печатается». Команда обнаружила, что по своей природе быстрое охлаждение и затвердевание LBPF позволило создать мелко-осадочный алюминиевый сплав с высокой прочностью, который предсказывал их метод машинного обучения.

«Иногда нам приходится думать, как сделать материал совместимым с 3D-печатью», — говорит соавтор исследования Джон Харт. «Здесь 3D-печать открывает новые возможности благодаря уникальным особенностям процесса — особенно высокой скорости охлаждения. Очень быстрое замораживание сплава после расплавления лазером создаёт особый набор свойств.»

Проверка прогнозов

Воплотив свою идею в жизнь, исследователи заказали формулу порошка, пригодного для печати, основанную на новом рецепте алюминиевого сплава. Они отправили порошок — смесь алюминия и ещё пяти элементов — сотрудникам в Германии, которые печатали небольшие образцы сплава с помощью собственной системы LPBF. Затем образцы были отправлены в MIT, где команда провела несколько тестов для измерения прочности сплава и получения изображения микроструктуры образцов.

Их результаты подтвердили прогнозы, сделанные в ходе первоначального поиска машинного обучения: печатный сплав был в пять раз прочнее литого аналога и на 50 процентов прочнее сплавов, разработанных с использованием традиционных моделей без машинного обучения. Микроструктура нового сплава также состояла из большей объёмной доли мелких осадков и была стабильной при высоких температурах до 400 градусов Цельсия — очень высокой температуре для алюминиевых сплавов.

Исследователи применяют аналогичные методы машинного обучения для дальнейшей оптимизации других свойств сплава.

«Наша методология открывает новые возможности для всех, кто хочет заняться 3D-печатью сплавов», — говорит Тахери-Мусави. «Моя мечта — чтобы однажды пассажиры, глядя в окно самолёта, увидели лопасти вентилятора двигателей из наших алюминиевых сплавов.»