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文章引用：
Hou Q, Wang J, Miao Y,et al. Predicting the effect of cooling rates and initialhydrogen concentrations on porosity formation in Al-Si castings. MGE Advances. 2024;2(3):e37.
https://doi.org/10.1002/mgea.37
文章摘要
铝硅合金在汽车铸造零部件中有着广泛的应用，然而微观氢气孔是降低铸件性能有害缺陷。本研究采用耦合三维元胞自动机(CA)模型预测氢气孔与冷却速度和初始氢含量之间的关系。通过对气孔特征量进行量化分析发现，在初始氢含量为 0.25 mL/100g 时，随着冷却速率从2.6°C/s变化至19.4°C/s，气孔平均当量直径从40.43μm减小到23.98μm，气孔数量密度从10.3mm-3增加到26.6mm-3。此外，本文首次研究了二次枝晶臂间距(SDAS)与气孔当量直径之间的回归关系，与实验结果吻合良好。当前研究表明，CA 模型可应用于先进汽车铝硅合金零部件的工艺优化和稳定性设计。
文章简介
铝硅合金因其高强、轻质、良好的腐蚀抗性以及优良的铸造性能而广泛应用于航空航天、汽车制造等领域。然而，由于铝合金熔体的吸氢特性，其凝固过程中容易产生氢气孔等铸造缺陷。研究表明氢气孔会显著降低铸件的延伸率等力学性能并降低其疲劳寿命。凝固过程中氢气孔的形成过程主要分为形核和长大两个阶段，形核是由于氢在固液两相中溶解度的显著差异而产生氢的再分配导致局部偏析，当偏析达到一定程度，氢浓度远超其在液体中的溶解度时，气孔将依附于空穴或氧化膜异质形核。而气孔的生长或收缩主要受气孔内压、金属静压和表面张力的控制。
随着计算机技术的发展，数值模拟已成为与实验技术和理论研究并行发展的第三种科学研究方法。通过模拟研究, 可以帮助人们深入理解凝固过程中显微组织形成的内在机制, 为材料成分设计、改进现有工艺以及发展新工艺提供科学依据。目前, 凝固显微组织的模拟方法主要有相场(phase field, PF), 元胞自动机(cellular automaton, CA), 前沿跟踪(front tracking, FT)等方法。CA 是一种尖锐界面模型, 能够有效地描述相变时显微组织形貌的复杂演化过程, 具有模型和算法简单、计算效率高等优势。因此, 在显微组织模拟领域得到了广泛应用。近日，北京理工大学王俊升教授针对铝合金凝固氢气孔缺陷的预测问题，利用三维CA模型，定量探究了Al-Si合金凝固过程中冷却速率和初始氢含量等工艺参数对氢气孔缺陷形成的影响。
图1显示了Al-7wt.%Si合金凝固过程中气孔和枝晶的耦合生长模拟结果，结合图2中固相分数、氢浓度和氢气孔数量随温度的变化曲线，发现在约612℃到614°C时，固体分数急剧增加，这一现象可以解释为在枝晶形核阶段，由于局部过冷度达到最大值，系统可以提供足够的驱动力促进晶核的形成，致使枝晶的快速生长。后期由于晶粒生长的消耗，过冷度逐渐降低，固体分数的增加变得平缓。此外，如图1所示，凝固过程中枝晶随着温度的降低而不断生长，沿其不同的择优取向形成一次枝晶臂，并分支出二次枝晶臂。在与枝晶接触之前气孔呈球状/类球状生长，之后气孔与枝晶竞争生长，气孔形状变为不规则状。
图1. 600, 590和 577°C时枝晶-气孔耦合生长模拟结果。
图2. 固相分数，氢含量及气孔数量随温度变化曲线。
通过对不同冷却速率和初始氢含量下的氢气孔模拟结果进行定量分析(图3)，发现随着冷却速率的增大，气孔的尺寸减小，并且形状由不规则状变为较规则的类球状。此外，在低冷速下，氢含量增加使气孔尺寸明显增加，高冷速时，氢含量对气孔尺寸影响不明显。
图3. 不同工艺条件下氢气孔形貌三维量化结果。
为研究二次枝晶臂间距(SDAS)与气孔平均当量直径的关系，在由低到高的不同冷却速率下展开了10组模拟(图4)。随后分别利用理论公式和CALPHAD软件得到SDAS与冷却速率之间的关系，两种方法与CA模型基于相同的物理模型。SDAS和气孔平均当量直径的回归结果如图4b所示，可以看到，SDAS和气孔尺寸呈现出良好的线性相关性，与实验结果一致。
图4. SDAS和气孔平均当量直径的关系：(a) SDAS随冷速的变化；(b) 气孔平均当量直径随SDAS的变化。
作者介绍
通讯作者
王俊升，北京理工大学教授、博导，国家级人才，北京理工大学前沿交叉科学研究院集成计算材料工程(ICME)实验室主任。长期从事高性能轻质合金的设计制造一体化研究工作，采用ICME技术设计了高性能铝锂合金、镁锂合金。主持国防军工、领域基金、自然基金重点、面上等项目，提出了高性能合金微结构全流程预测方法，发表论文100余篇，申请专利40余项。担任北京理工大学学报（英文版）、航空制造技术、美国金属学会手册编辑委员等期刊编委。
第一作者
侯清怀，北京理工大学材料学院材料工程专业硕士生，硕士研究方向为数据驱动铝合金凝固缺陷智能预测。
《材料基因工程前沿（英文）》简介
《材料基因工程前沿（英文）》（Materials Genome Engineering Advances，简称：MGE Advances）作为材料基因工程领域首个高水平综合性学术期刊，其宗旨是面向国家重点战略布局与材料学科国际学术前沿发展的重大需求，聚焦材料基因工程领域，刊载先进材料计算、高通量/自动化/智能化材料实验技术、材料数据库与大数据技术等材料基因工程关键技术的研究进展和前沿成果，以及三者在材料新效应/新原理探索和新材料发现等方面的重要应用，创建一个跨学科多领域交叉融合的国际一流高水平出版平台和学术交流平台，推动新材料研发模式变革。
2022年入选“中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊项目”。
2024年入选北京市科委“2024支持高水平国际科技期刊建设-强刊提升”项目。
2024年10月期刊被世界五大文献检索系统之一的开放获取期刊目录DOAJ收录。
《材料基因工程前沿（英文）》以全OA开放获取模式，在国际出版平台Wiley Online library全文数字化上线出版。期刊采用国际先进的单篇优先出版模式，实现了最新学术成果的及时快速优先发表并高效广泛地传播给全球读者，提升了期刊的可见度和传播效率。
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