研究人员利用数学模型优化液态金属铸造

阿斯顿大学的科学家们启动了一个项目，旨在开发一种数学模型，以改进液态金属铸造工艺。

这种方法有望防止轻质铝合金在首次暴露于空气时迅速氧化。英国的研究人员认为，加深对这一问题的了解可以改进轻金属的 3D 打印工艺。

这项研究将由英国工程与物理科学研究委员会（EPSRC）提供的8万英镑资助，由该校工程与物理科学学院应用数学高级讲师保罗-格里菲思博士（Dr. Paul Griffiths）领导。

该项目从2024年4月开始，为期12个月，名为 "开发精确的非牛顿表面流变模型"，将与法国格勒诺布尔理工学院（INP）合作开展。

"格里菲斯博士解释说："这项研究的目的是建立一个数学模型，准确捕捉液态金属流与上方氧化层之间的双向耦合，后者表现为非牛顿液体/气体界面。

用数学改进液态金属铸造

目前，运输业正在用更轻的合金取代钢等传统金属。

取代钢材的一个主要好处是，这种合金不会生锈。然而，轻合金在刚接触环境时会迅速氧化。这对它们的质量和使用寿命产生了负面影响，限制了它们在工业制造应用中的实用性。

为了克服这些挑战，研究团队将重点研究合金上形成的氧化薄膜。虽然这些薄膜确实起到了保护层的作用，有助于抵御外界条件的腐蚀，但它们也带来了一些问题。

在铸造过程中，当铝处于熔融状态时，氧化薄膜会被包裹在液态金属流中。这种封装过程可能会多次发生，导致氧化膜嵌入最终产品，从而降低铸造部件的质量和疲劳寿命。

研究人员认为，进一步了解如何控制这种氧化过程将有助于降低生产生命周期的相关成本。研究人员认为，这将导致对轻质合金的更大需求，并减少温室气体排放，因为运输更轻的产品所需的能源更少。

该项目的最终目标是开发一种能够准确描述液态金属流与氧化层之间动态关系的数学模型，而目前的方法无法确定这种关系。

"格里菲斯博士说："这个项目的目标是描述表面特征--速度和剪切剖面--以及表面曲率的重要影响。"为熔化金属流的氧化表面建立一个更合适的力学模型将有助于更好地理解影响合金的封装过程。

希望研究结果能为如何在实际环境中控制氧化过程提供新的见解。数学模型将根据现有的实验观察结果进行验证和确认。

金属铸造过程。图片来自欧特克公司。

金属快速成型制造研究 

改进金属快速成型制造的研究并不新鲜。去年，来自美国国家标准与技术研究院（NIST）和瑞典皇家理工学院（KTH Royal Institute of Technology）等多家机构的研究人员组成的团队宣布，在了解冷却速率如何影响激光粉末床熔融（LPBF）过程中的金属特性方面取得了突破性进展。

科学家们以前一直在努力生产具有特定、预定晶体结构的金属。因此，金属三维打印经常生产出形状复杂的零件，这些零件会过早开裂。这项研究考察了冷却速率如何影响金属的晶体结构，目的是在三维打印的初始步骤中控制金属的微观结构。

最终，科学家们的研究结果验证了描述合金凝固的计算模型，即基于Kurz-Giovanola-Trivedi（KGT）的凝固模型所做的预测。因此，该研究表明，该模型可用于预测和控制 3D 打印过程中的金属零件，从而提高大规模制造的一致性。

在其他方面，来自清华大学和新加坡国立大学的研究人员研究了流体流动对金属三维打印部件机械性能的影响。当熔融金属凝固时，树状晶体结构（树枝状）可以生长和传播。树枝状晶体在生长过程中会对金属的机械性能产生负面影响。

因此，研究小组研究了树枝状晶体在不同流动条件下的生长过程。最终，研究小组发现，流体流动和凝固速度对金属 3D 打印中枝晶的形成有重大影响。