4月16日，在由上海有色网信息科技股份有限公司（SMM）、上海有色网金属交易中心、山东爱思信息科技有限公司主办，中亿丰金益(苏州)科技有限公司、乐至县乾润招商服务有限公司协办的AICE 2025 SMM(第二十届)铝业大会暨铝产业博览会——铝熔铸技术论坛上，中铝集团首席专家、先进铝合金协同创新联盟秘书长王国军对数据驱动引领铝合金大规格铝合金材料开发。
基于数值模拟的2024大扁锭工艺优化
（一）背景
►2024合金在航空航天的应用：高强韧2xxx铝合金具有比重小、强度高、断裂韧性好及耐蚀等优点，广泛应用于航空航天领域。其中第一代AA2024铝合金由于其优异的损伤容限和在时效条件下的高抗疲劳裂纹扩展能力，仍然是一种商用飞机运输机重要的材料，主要用于机身、机翼的轻质部件。
► 变形铝合金第一道工序是直冷半连续铸造（Direct-Chilling casting）
► 随着我国航空航天大型结构件的尺寸增大，铝合金铸锭也朝着超厚超宽的方向发展。
► 由于2024铝合金凝固区间大，且开裂倾向性高，铸锭尺寸的增加会导致铸锭出现更严重的开裂现象。
（二）模型建立
► （1）基本假设：在保证模型计算精度的前提下，兼顾计算效率，本模型的主要假设如下：
► 本模型忽略铸造过程中液面细微波动对DC铸造凝固过程的影响，将结晶器液面简化为壁面。
► 忽略结晶器液面辐射传热。
► 忽略溶质偏析对铝合金熔体固相线和液相线的影响，固相线和液相线取定值。
► 简化一冷和二冷区的传热过程，用综合换热系数描述铸坯表面的传热。
► 不考虑铸锭变形对熔体流动的直接影响
►（2）控制方程：
其还对（3）材料模型（采用JMatPro-14.3软件计算获得，凝固模型采用Scheil非平衡凝固模型）和（4）边界条件进行了阐述。
（二）模型建立：通过中铝数字化模型参数化建模，实现一键式数值模拟计算，大幅减少了建模时间，提高工作效率
（三）开裂原因分析
应力方向与裂纹方向关系：沿着最大主应力方向开裂。开裂最主要原因：铸造过程热应力过大。优化方向：降低热应力。
铸造速度的影响
从不同铸造速度下温度场分布可以看出：由于在结晶器下沿施加了刮水器，铸锭表面会出现温度回升现象，随着铸造速度的增加，铸锭表面的温度回升越高，铸造速度的增加呈线性增加趋势。
从不同铸造速度下应力场分布可以看到：随着铸造速度的增加，铸锭应力呈下降的趋势增加铸造速度能降低铸锭内部的开裂倾向。铸锭规格越大，铸锭应力随铸造速度变化越缓慢。
刮水器位置的影响
随着刮水器位置的下降，铸锭的表面温度呈降低的趋势。不施加刮水器时，铸锭的温度显著降低。铸锭的液穴深度随着刮水器位置的下降逐步减小。
铸锭应力最大位置为底部靠近小面的位置，热应力值约为250MPa，随着刮水器位置下移，铸锭内部第一主应力应力值显著增大，但是位置不变，刮水器下移将大幅增加铸锭的开裂倾向。
►随着铸造速度的提升，液穴深度增加，铸锭应力降低。
► 随着刮水器位置的提升，液穴深度增加，第一主力大幅降低。
► 在其他条件一致的情况下，主应力与液穴深度呈负线性关系，但是刮水器的影响对铸锭的影响更大，而铸造速度对液穴深度的影响更大。
► 同时提升铸造速度和提升刮水位置能有效的降低铸锭应力，从而降低铸锭开裂的风险，但是会导致液穴深度过大，降低铸锭冷却速率，导致出现疏松、晶粒粗大及偏析严重等现象。根据液穴深度和铸锭应力的规律，可以通过提升刮水器位置来降低铸锭应力，同时降低铸造速度降低液穴深度，在保证铸锭成型的同时，提高铸锭冶金质量。
小结：
•建立了大规格扁锭铸造过程的热流力耦合模型，分析了热应力分布规律，对超大规格2024铝合金扁铸锭的开裂原因展开了分析，铸锭开裂与第一主应力密切相关，并于现场开裂情况；
• 获得了超大规格2024合金铸造速度和刮水器位置对液穴深度及铸锭应力的定量关系，评判了铸造速度对液穴和应力的效果；
• 提出了降低铸造速度同时提升刮水器高度的大规格铸锭成型控制的策略，在不显著增加液穴深度的同时，大幅降低了铸锭的热应力，成功制备了超大规格2024扁锭。
基于机器学习的铸造过程温度场快速预测
（一）背景
►数字化转型是企业未来的发展趋势，数字化研发最终目标是对铝合金加工过程实时感知，并做出实时决策。
► 数值模拟软件长期被国外软件垄断，存在不可控风险。且数值模拟一定程度上也是黑匣子。输入参数：铸造速度、浇铸温度、冷却水量、刮水器位置，即可获得铸造过程稳态温度场流场。
► 铸造数值模拟建模过程复杂（几何模型+网格划分+材料模型+边界条件+求解设置+计算+结果分析），且需要花费一定时间，计算一个大规格扁锭铸造过程数值模拟瞬态过程需要1~3天，只能用于前期工艺优化，难以满足现场实时指导的需求。
► 铝合金铸造是铝加工过程中最重要的工艺，铸锭的质量决定了后续产品的性能及其稳定性。铸锭内部温度场、液穴形貌是熔铸过程的控制及工艺调节的重要参考，无法通过实验方法获得。
（二）高通量计算
通过fluent参数化编程实现了自动建模、提交运算及结果处理，并通过Python二次开发实现了高通量计算。
（二）机器学习
对以获得的工艺参数-液穴形貌参数进行了机器学习，实现了液穴形貌的预测。
（三）液穴形貌快速预测APP
将铸造工艺-温度场的机器学习模型封装，形成铸造过程温度场及液穴形貌快速预测软件。
小结：
• 通过编写程序实现了铸造过程的参数化建模，自动提交计算，并输出液穴数据；
• 实现了铸造过程高通量计算，大幅减小了铸造模拟的工作量，提升了计算效率；
• 通过高通量计算结合机器学习技术，实现了铸造过程液穴形貌的快速预测；
• 为铸造过程刮水器位置的设置提供了快速的指导。
展望
展望：围绕有色金属材料及产品研发效率低，研发成本高，自主原创不足的现状，推动中铝集团有色金属材料研发由传统试错模式向数字化研发模式转型，推动形成“计算+数据驱动”的数字化研发模式。
重点开展DeepSeek大模型本地化部署与优化、定制化知识库构建以及AI+材料研发融合等研究。通过本地化部署解决数据云端传输的泄露风险问题，实现研发数据的安全可靠存储与处理;通过模型压缩与硬件适配研究降低算力成本，实现中小实验室的低成本高效运行;通过定制化知识库构建和业务场景融合，实现合金成分优化、性能精准预测和工艺参数推荐，显著缩短研发周期并降低试错成本。最终提升铝合金材料研发效率、为材料研发机构提供高效安全、低成本的智能化解决方案。
此外，其还对中铝集团、中铝高端、中铝材料应用研究院、中铝数字化研发平台等进行了介绍。
