高强度铝合金对于减轻汽车和飞机的重量、提高燃油效率至关重要，但制造商在加工工艺的稳定性方面面临诸多挑战。

据外媒报道，由密歇根大学（University of Michigan）牵头，并与通用汽车研发部门（General Motors Research & Development）合作，开发了一种计算效率高的多尺度模型，该模型能够预测如何调整高强度铝合金的化学成分和冷却工艺，从而优化其性能。设计出更高效的制造工艺对于将轻质铝合金更广泛地应用于汽车领域至关重要。

图片来源： 期刊《npj Computational Materials》

“这一框架不仅加深了我们对高强度铝合金的理解，也为模拟许多用于轻量化和可持续制造的先进合金的复杂行为打开了大门，”密歇根大学材料科学与工程系副教授、的这项研究的通讯作者Liang Qi表示。“最终，它为研究人员和工程师提供了一个强大的工具，可以更高效地设计出更好的材料。”相关研究已发表于期刊《npj Computational Materials》。

简化汽车制造工艺

该研究团队专注于最初为航空航天应用开发的7000系列铝镁锌（Al-Mg-Zn）合金。微小的镁和锌颗粒会取代铝基体中的镁和锌，形成析出物，从而强化铝，使其在保持轻量化的同时拥有卓越的强度。

然而，这种合金的应用一直局限于航空航天领域，因为其强化过程——尤其是室温下的自然时效阶段——具有高度不可预测性。航空航天制造商为了避免自然时效，会采用成本高昂且专门的加工步骤，例如高温变形或低温储存。虽然这些方法是一种有效的替代方案，但并不适用于大规模汽车制造。

为了降低成本并扩大该材料在车身结构中的应用，研究团队致力于了解金属在室温下放置一段时间后，在自然时效过程中微观尺度上的硬化机制。

“我们的研究有助于工程师更好地了解微小缺陷和原子运动如何影响先进铝合金的强化，尤其是铝镁锌合金的自然时效。研究成果为理解如何提高这些合金在汽车应用中的成形性能提供了途径，”通用汽车研发中心高级技术研究员、该研究的合著者Louis G. Hector Jr.表示。

加工高强度轻质合金

为了强化铝镁锌合金，首先将材料加热至约500°C，以确保所有锌原子和镁原子都溶解到铝中。然后，将合金快速冷却（称为淬火），并在室温下时效约一至三天。

淬火过程中温度下降如此之快，以至于原子来不及重新排列以达到新的平衡状态。这会导致空位（金属晶体结构中缺失的原子）的产生。

这些空位会影响锌和镁原子团簇（称为溶质）在冷却过程中的移动速度。这反过来又会影响析出物的形成位置以及最终材料的强度。

多组分合金中空位扩散的建模

对空位和溶质扩散进行建模有助于优化性能，但由于其发生在原子尺度上，且需要数天时间，因此计算量极其庞大。

在原子尺度上，空位在相邻原子之间跃迁，每次跃迁都取决于局部化学环境。在三元合金（例如Al-Mg-Zn合金）中，可能的溶质构型数量极其庞大，这使得传统的原子模拟速度缓慢，无法达到与自然时效相关的时间尺度。

此外，团簇可以在几秒到几小时内生长和演化，远远超出了标准动力学蒙特卡罗原子模拟方法（Monte Carlo methods for atomistic simulations）的适用范围。

为了规避这些问题，研究人员开发了一种多尺度框架，将原子行为与长期老化动力学联系起来。

马尔可夫链（Markov chain）模型描述了空位在团簇内停留的时间。该模型并非对每个原子进行建模，而是将空位的运动视为在能量景观中进行的引导随机游走。这些捕获行为随后被输入到一个介观尺度的团簇动力学模型中，该模型可以预测团簇在数小时自然老化过程中的演化过程。

“我们现在只需几分钟就能模拟数小时甚至数天的材料老化过程，而传统方法可能连几秒钟的实时析出物演化都难以模拟，”密歇根大学材料科学与工程系博士后研究员、该研究的第一作者Zhucong Xi说道。

淬火速率留下空位指纹

多尺度框架研究发现，淬火速率会留下一种持久的“空位指纹”，该指纹控制着自然时效过程。

更快的冷却速度会在铝基体中留下更多可移动的空位，从而导致自然时效过程中溶质扩散和团簇动力学加快。较慢的冷却速度则允许在淬火过程中形成更大的析出物，这些析出物会捕获空位并延长自然时效时间。

该模型能够准确预测数天内的自然时效行为，并展示了如何通过调节合金化学成分、冷却和时效工艺来控制析出物的演变，最终控制铝合金的力学性能。

“通过捕捉不同长度和时间尺度上的空位团簇相互作用，我们现在可以预测以前需要大量反复试验才能实现的时效行为，”Qi教授说道。