01 Tidens utfordringer - På grunn av deres lave tetthet, høye spesifikke styrke og utmerkede korrosjonsmotstand, har aluminiumslegeringer blitt uunnværlige strukturelle materialer i luftfarts-, bil- og energiutstyrssektorene. Men ettersom moderne industris etterspørsel etter komplekse geometrier og høy-ytelse, overspenning av lette komponenter, tradisjonelle støpe- og maskineringsmetoder står overfor grunnleggende begrensninger i produksjonsdeler med intrikate interne kanaler, gitterstrukturer og tynne-vegger. Additive produksjonsteknologier-spesifikt Laser Powder Bed Fusion (LPBF) og Laser Directed Energy Deposition (LDED)- tilbyr revolusjonerende veier for å overvinne disse produksjonsflaskehalsene. LPBF-teknologien bruker en høy-laserstråle for selektivt å smelte{10}}foravsatte pulverlag, og bygge komplekse komponenter med tettheter som overstiger 99,5 % lag for lag; med typiske kjølehastigheter som når størrelsesorden 10⁶ K/s, kan den produsere overmettede faste løsninger og ultrafine-kornede mikrostrukturer langt unna likevektsstørkningstilstander. I mellomtiden demonstrerer LDED-teknologi, som benytter synkron pulvermating og lasersmelting, unike fordeler ved å reparere skadede deler og produsere strukturelle komponenter i stor skala så vel som materialer med sammensetning. Allikevel møter aluminiumslegeringer en rekke iboende fysiske-metallurgiske utfordringer under produksjon av laseradditiv. Ved romtemperatur viser aluminiumslegeringer en reflektivitet som overstiger 90 % for nær-infrarøde lasere (bølgelengde: 1070 nm), noe som resulterer i ekstremt lav energikoblingseffektivitet og nødvendiggjør lasere med høy-effekt-tetthet for å etablere et stabilt smeltebasseng. Aluminiumslegeringsoverflater danner lett en tett oksidfilm (Al₂O₃) med et smeltepunkt på 2072 grader -betydelig høyere enn 660 graders smeltepunkt for aluminiummatrisen; fragmenter av denne oksidfilmen klarer ofte ikke å smelte fullstendig i smeltebassenget, og fungerer ofte som initieringssteder for sprekker og mangel-på-fusjonsdefekter. Enda mer kritisk er at oppløseligheten av hydrogen i flytende aluminium (ca. . 0.7 cm³/100g) er langt høyere enn i fast aluminium (ca. . 0.04 cm³/100g); under rask størkning kan ikke overmettede hydrogenatomer diffundere ut i tid og i stedet akkumuleres ved det faste -væskegrensesnittet for å danne boblekjerner, og etterlater til slutt metallurgiske porer som varierer fra noen få til flere titalls mikrometer i diameter innenfor den størknede mikrostrukturen. I mellomtiden gjør det brede størkningstemperaturområdet (f.eks. over 150 grader for Al7075) og betydelig størkningskrymping (omtrent 6%) av aluminiumslegeringer, som gjør dem svært utsatt for krympeporøsitet for størkning og varmsprekking når tilførselskanalene lukkes under sluttfasen av størkning i smeltebassenget; disse problemene representerer kjerneutfordringer i LPBF-behandlingen av høystyrke 2xxx- og 7xxx-serier av aluminiumslegeringer. De ekstreme termiske syklusegenskapene som er iboende til produksjon av lasertilsetninger-som involverer lokaliserte smeltebasseng-temperaturer som overstiger 2000 grader sammen med omkringliggende pulver- og substrattemperaturer som strekker seg fra romtemperatur til 200 grader, noe som resulterer i temperaturgradienter så høye som 10⁶ K/m}, genererer komplekset i komponentfeltet{50}; hvis de ikke kontrolleres, kan disse påkjenningene føre til vridning, deformasjon eller til og med sprekker mellom lag.
02 Komposisjonsdesign - På nivå med komposisjonsdesign er legeringssystemer som tradisjonelt brukes til støping og smiing ofte uegnet for additiv produksjon. Hvis vi tar AlSi10Mg-legeringen som et eksempel, gir dens nesten-eutektiske sammensetning utmerket flyt under støping; under de raske størkningsforholdene til LPBF, fungerer imidlertid det grove eutektiske silisiumfasenettverket som en kilde til stresskonsentrasjon. Videre faller legeringens strekkstyrke ved 300 grader til omtrent 10 % av rom--temperaturstyrken-, et fenomen som tilskrives den raske forgrovningen og oppløsningen av den eutektiske mikrostrukturen ved høye temperaturer. Følgelig har utvikling av spesialiserte aluminiumslegeringssammensetningssystemer skreddersydd til egenskapene til additiv produksjon blitt et sentralt forskningsfokus på feltet.
Forskning utført av Chongqing Institute of Green and Intelligent Technology, Chinese Academy of Sciences, avslører at tilsetning av spormengder av Sc (0,2–0,4 vekt%) og Zr (0,1–0,3 vekt%) til Al-Mg-legeringer muliggjør *in situ* dannelse av primær Al₃(Sc,Zr) i nanoskala under fasestrukturen i fast stoffstruktur med en rask L1-struktur med L1. Laser Powder Bed Fusion (LPBF). Disse fasene viser ekstremt lavt gittermisforhold (omtrent 1,3 %) med -Al-matrisen og fungerer som svært effektive heterogene kjernedannelsessteder, og raffinerer kornstørrelser fra titalls mikrometer ned til sub-mikrometerskalaen. Studien indikerer at den som-bygde Al-Mg-Mn-Sc-Zr-legeringen viser en karakteristisk bimodal kornstruktur: en region med fine likeaksede korn (gjennomsnittlig størrelse ~1,04 μm) ved smelteregionen en søyle- og 1-kantsstørrelse (2. μm) vokser langs byggeretningen i smeltebassengsenteret. Denne heterogene kornstrukturen oppstår fra romlige variasjoner i temperaturgradienter og nukleasjonstettheter i smeltebassenget; kantene har høye temperaturgradienter og en anrikning av primære Al3(Sc,Zr)-faser, som fremmer heterogen kjernedannelse, mens senteret er preget av en sterkt retningsbestemt temperaturgradient som favoriserer epitaksial krystallvekst langs retningen av maksimal varmespredning. Spesielt, mens Sc er dyrt (ca. $3000/kg), er Zr relativt billig (ca. $30/kg); den kombinerte tilsetningen av disse elementene skaper en Al₃Sc-kjerne/Al₃Zr-skallstruktur som ikke bare forbedrer den termiske stabiliteten til forsterkningsfasene betydelig, men som også effektivt reduserer legeringskostnadene. I mellomtiden har et team fra Shanghai Jiao Tong University foreslått en innovativ designstrategi basert på et deformerbart-transformerbart eutektisk nanostillas. De valgte et nesten-eutektisk Al-Er-system (12,7 vekt% Er) som modelllegering, og utnyttet dannelsen av den L1₂-strukturerte Al₃Er-fasen-som viser et gittermisforhold på bare 3,96% med {{37}-systemer med slippbarhet og høy slippevne. Under LPBF-utskriftsprosessen utfelles Al₃Er med en volumfraksjon på omtrent 10,3 % i form av et kontinuerlig 3D nano-skjelett; dette skjelettet tåler ikke bare høye påkjenninger som overstiger 1300 MPa, men letter også plastisk akkommodasjon under deformasjon gjennom dannelse av deformasjonstvillinger og 9R lange-stablingsordnede strukturer, og snur dermed fundamentalt det konvensjonelle synet om at eutektiske skjeletter er iboende sprø. Den som-trykte Al-Er-Mg-legeringen (RAE700) viser en flytestyrke på 632 MPa, som øker til 707 MPa etter direkte aldring, samtidig som den opprettholder en forlengelse på 7–10 %, noe som resulterer i en omfattende ytelsesprofil som overgår alle{5} tidligere rapportert 5} legeringer. I tillegg utviklet et forskerteam ved Nagoya University en Al-Fe-Mn-Ti-legeringsserie basert på en "elementpartisjonskontroll"-strategi; ved å tilsette Cu og Mn for å stabilisere Al₆Fe-fasen og transformere den til en fordelaktig forsterkende fase-samtidig introdusere Ti som skiller seg inn i den faste fasen for å raffinere korn til ca. 2,3 μm-når legeringen en rom-temperatur-strekkstyrke på %a, 7 MP med en strekkstyrke på %a, 490 egenskaper forblir praktisk talt uendret etter 100 timers termisk eksponering ved 300 grader.
