01 Samtidsutfordringer: På grunn av deres lave tetthet, høye spesifikke styrke og utmerkede korrosjonsbestandighet, har aluminiumslegeringer blitt uunnværlige konstruksjonsmaterialer i luftfarts-, bil- og energiutstyrssektorene. Med den økende etterspørselen i moderne industri etter komplekse geometrier og lettvektskomponenter med høy-ytelse, møter tradisjonelle støpe- og maskineringsmetoder imidlertid grunnleggende begrensninger når de produserer deler 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-teknologi konstruerer komplekse komponenter med tettheter som overstiger 99,5 % ved selektivt å smelte forhånds-avsatte pulverlag ved hjelp av en{10} høyenergilaserstråle, og bygge strukturen lag for lag. Med typiske kjølehastigheter som når størrelsesorden 10⁶ K/s, muliggjør denne prosessen dannelsen av overmettede faste løsninger og ultrafine-kornede mikrostrukturer som ligger langt utenfor likevektsstørkningstilstanden. Motsatt viser LDED-teknologi-som bruker samtidig mating av pulver sammen med lasersmelting-demonstrerer unike fordeler ved reparasjon av skadede deler, fabrikasjon av strukturelle-komponenter i stor skala og produksjon av funksjonelt graderte materialer. Allikevel møter aluminiumslegeringer en rekke iboende fysiske-metallurgiske utfordringer under produksjonsprosessen for laseradditiv. Aluminiumslegeringer viser en reflektivitet på over 90 % mot nær-infrarøde lasere (med en bølgelengde på 1070 nm) ved romtemperatur; dette resulterer i ekstremt lav energikoblingseffektivitet, noe som gjør det nødvendig å bruke høy-effekt-lasere for å etablere et stabilt smeltebasseng. Videre dannes det lett en tett oksidfilm (Al2O3) på overflaten av aluminiumslegeringer. Med et smeltepunkt på 2072 grader -betydelig høyere enn for aluminiummatrisen (660 grader)-lykkes ofte ikke fragmenter av denne oksidfilmen å smelte fullstendig i smeltebassenget, og fungerer ofte som kjernedannelsessteder for sprekker og kilder til manglende-fusjonsdefekter.{{33} Mest kritisk er oppløseligheten av hydrogen i flytende aluminium (omtrent 0,7 cm³/100g) mye høyere enn i fast aluminium (omtrent 0,04 cm³/100g). Under den raske størkningsprosessen mangler overmettede hydrogenatomer tilstrekkelig tid til å diffundere ut; i stedet akkumuleres de ved den faste-væskegrenseflaten for å danne gassboblekjerner, og etterlater til slutt metallurgiske porer som varierer fra noen få mikron til titalls mikron i diameter i den størknede mikrostrukturen. I mellomtiden gjør det brede størkningstemperaturområdet til aluminiumslegeringer (f.eks. over 150 grader for Al7075) og deres betydelige størkningskrymping (omtrent 6%) dem svært utsatt for størkningsporøsitet og varmesprekker når tilførselskanalene ved halen av smeltebassenget stenger. Dette utgjør kjerneutfordringen for høy-aluminiumslegeringer i 2xxx- og 7xxx-serien under LPBF-prosessen. Videre genererer de ekstreme termiske sykluskarakteristikkene ved produksjon av lasertilsetninger-der lokaliserte smeltebassengtemperaturer overstiger 2000 grader mens det omgivende pulveret og substratet forblir mellom romtemperatur og 200 grader, noe som resulterer i temperaturgradienter så høye som 10⁶ K/m-, et komplekst stofflagde spenningsfelt; hvis det ikke kontrolleres, kan dette føre til vridning, deformasjon og til og med sprekker mellom-lag.
02 Komposisjonsdesign: På nivå med komposisjonsdesign er aluminiumslegeringssystemene som tradisjonelt brukes i støping og smiing ofte uegnet for additiv produksjon. For å ta AlSi10Mg-legeringen som et eksempel: mens dens nesten-eutektiske sammensetning gir den utmerket flyt under støping, under de raske størkningsforholdene til LPBF, blir det grove nettverket av eutektiske silisiumfaser paradoksalt nok 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 utviklingen av spesialiserte aluminiumslegeringssystemer skreddersydd til de unike egenskapene til additiv produksjon dukket opp som et sentralt forskningshotspot på dette feltet.
Forskning utført av Chongqing Institute of Green and Intelligent Technology, Chinese Academy of Sciences, avslører at ved å legge til spormengder av Sc (0,2–0,4 vekt%) og Zr (0,1–0,3 vekt%) til Al-Mg-baserte legeringer, er det nanoskala Al₃(Sc-possse{2}-ordre: L1₃(Sc,Zr6) i primærfaser. struktur-kan dannes *in situ* under den raske størkningsprosessen til Laser Powder Bed Fusion (LPBF). Denne fasen viser et ekstremt lavt gittermisforhold (omtrent 1,3 %) med -Al-matrisen, og fungerer dermed som et svært effektivt heterogent kjernedannelsessted som avgrenser kornstørrelsen fra titalls mikrometer ned til sub-mikrometernivå. Studien bemerker videre at den SLM-fabrikerte Al-Mg-Mn-Sc-Zr-legeringen har en karakteristisk bimodal kornstruktur: kantene på smeltebassenget har en fin, likeakset kornsone med en gjennomsnittlig kornstørrelse på ca. søyleformet kornsone-som vokser langs byggeretningen-med en gjennomsnittlig kornstørrelse på omtrent 2,11 μm. Denne heterogene kornstrukturen stammer fra romlige variasjoner i temperaturgradienter og nukleasjonstettheter i smeltebassenget; spesifikt er smeltebassengkantene preget av bratte temperaturgradienter og en anrikning av Al3(Sc,Zr) primærfaser, som fremmer heterogen kjernedannelse, mens smeltebassengsenteret viser en svært retningsbestemt temperaturgradient som letter epitaksial vekst av krystaller langs retningen av maksimal varmespredning. Spesielt, mens Sc er et kostbart element (priset til omtrent $3000/kg), er Zr relativt billig (omtrent $30/kg); den kombinerte tilsetningen av disse to elementene skaper en kjerne-skallstruktur-som omfatter en Al₃Sc-kjerne og et Al₃Zr-skall-som ikke bare forbedrer den termiske stabiliteten til forsterkningsfasene betydelig, men som også effektivt reduserer de totale kostnadene for legeringen. I mellomtiden har et team fra Shanghai Jiao Tong University foreslått en alternativ innovativ designstrategi sentrert om et «deformerbart-transformerbart eutektisk nanostillas. Ved å velge det nær-eutektiske Al-Er-systemet (12,7 vekt% Er) som sin modelllegering, utnyttet teamet evnen til Er til å danne en Al₃Er-fase med en L1₂-struktur i forbindelse med Al; denne fasen viser et gittermisforhold på bare 3,96 % i forhold til -Al-matrisen og er preget av en overflod av glidesystemer og høy kapasitet for tvilling. Under LPBF-utskriftsprosessen utfelles Al₃Er i form av et kontinuerlig, tre-dimensjonalt nanoskalaskjelett, som utgjør omtrent 10,3 vol%. Dette skjelettet er ikke bare i stand til å tåle høye påkjenninger som overstiger 1300 MPa, men det letter også plastisk akkommodasjon under deformasjon gjennom dannelse av deformasjonstvillinger og 9R lang-periodisk stabling-ordnede strukturer-og dermed fundamentalt snu den tradisjonelle oppfatningen om at eutektiske skjeletter er inttletiske skjeletter. Den som-trykte Al-Er-Mg-legeringen (RAE700) viser en flytegrense på 632 MPa, som øker ytterligere til 707 MPa etter direkte aldringsbehandling, samtidig som den opprettholder en forlengelse på 7–10 %; disse omfattende egenskapene overgår alle tidligere rapporterte 3D-trykte aluminiumslegeringer. Videre har et forskerteam ved Nagoya University utviklet en serie Al-Fe-Mn-Ti-legeringer basert på en "elemental partitioning control"-strategi. Ved å tilsette Cu og Mn stabiliserte de Al₆Fe-fasen-og transformerte den til en fordelaktig forsterkningsfase-og samtidig introduserte Ti, som skiller seg til den faste fasen for å indusere kornforfining (til omtrent 2,3 μm). Følgelig oppnår legeringen en rom{69}}strekkstyrke på 390 MPa og en duktilitet på 14–17 %; betydelig forblir dens mekaniske egenskaper praktisk talt uendret selv etter termisk eksponering ved 300 grader i 100 timer.
03 Prosesskontroll: Det kvantitative forholdet mellom prosessparametere og smeltebassengdynamikk er nøkkelen til å belyse mekanismene som styrer dannelse av mikrostruktur ved laseradditiv produksjon av aluminiumslegeringer. Væskedynamisk oppførsel i smeltebassenget drives kollektivt av Marangoni-konveksjon, rekyltrykk, oppdrift og termokapillære krefter. Blant disse utgjør Marangoni-skjærkrefter-som oppstår fra overflatespenningsgradienter indusert av temperaturgradienter over overflaten av smeltebassenget-den dominerende kraften som driver smeltet metallstrøm fra bassengets sentrum mot periferien. Motsatt vil rekyltrykk-generert ved kraftig utstøting av metalldamp inne i nøkkelhullet-utøve en trykkkraft som skyver det smeltede metallet mot bunnen og sideveggene av nøkkelhullet. Studier indikerer at volumetrisk energitetthet (VED) fungerer som den kritiske metrikken for å bestemme overganger i smeltebassengmodus: når VED overstiger omtrent 60 J/mm³, blir det fordampende rekyltrykket tilstrekkelig til å generere et nøkkelhull i smeltebassenget med et sideforhold større enn 1, og derved starte "nøkkelhullmodusen"; omvendt opererer prosessen i "ledningsmodus". Selv om nøkkelhullsmodusen letter oppnåelsen av høy materialtetthet, utgjør den ustabile svingningen til nøkkelhullet-spesifikt, den periodiske kollapsen av frontveggen{13}}den primære mekanismen for dannelsen av nøkkelhullporøsitet (porer typisk 50–200 μm i diameter). Disse porene kjennetegnes av sin store størrelse og uregelmessige morfologi, noe som påfører tretthetsytelsen betydelig større skade enn metallurgiske porer i finskala. Forskning utført ved Northwestern Polytechnical University har vist at tilsetning av en spormengde (0,15 vekt%) av en Al-Nb-B-kornforedler til AlSi10Mg-legering kan i betydelig grad modulere den søyleformede-til-likeaksede overgangen (CET). De resulterende NbB2- og Al3Nb-partiklene fungerer som heterogene kjernedannelsessteder og øker volumfraksjonen av likeaksede korn fra mindre enn 20 % til over 80 %; samtidig reduserer denne intervensjonen det plastiske anisotropiforholdet (definert som forholdet mellom langsgående og tverrgående forlengelse) fra 3,5 til 1,2, og oppnår dermed en tilstand av nesten fullstendig isotropi. De evolusjonære egenskapene til porøsitetsdefekter viser distinkte variasjoner på tvers av forskjellige aluminiumslegeringssystemer: i Al-Cu-legeringer resulterer det brede størkningsområdet i økt strømningsmotstand innenfor den grøtaktige sonen, noe som gjør effektiv mating (kompenserende smelteflyt) mer utfordrende; følgelig kan volumfraksjonen av metallurgiske porer i disse legeringene nå 1–2 %. Derimot tillater Al-Si-serielegeringer-på grunn av det smale størkningsområdet assosiert med deres eutektiske sammensetning- at porøsitetsnivåer effektivt kan kontrolleres til under 0,1 %. Dannelsen av krystalltekstur er nært knyttet til lagets-ved-lags størkningsadferd; når en 0 graders enveis skannestrategi brukes, a<001>tekstur utvikles langs byggeretningen, noe som resulterer i en forskjell på 10–20 % mellom flytegrensene i lengderetningen (byggretningen) og tverrretningen. Omvendt kan å ta i bruk en 67 graders rotasjonsskannestrategi redusere teksturintensiteten til et nivå av tilfeldig orientering, og dermed i det vesentlige eliminere anisotropi i mekaniske egenskaper. Når det gjelder ytelse ved høye-temperaturer, viser additivt produserte aluminiumslegeringer et unikt potensiale for styrking sammen med spesifikke utfordringer angående egenskapsforringelse. En oversiktsartikkel fra Central South University kategoriserer de høye-temperaturforsterkende mekanismene til varme-bestandige, additivt produserte aluminiumslegeringer i tre kjernebaner. For det første konstruerer den synergistiske multi-komponenteffekten en flerlags, termisk stabil arkitektur ved å inkludere elementer med varierende diffusjonshastigheter. For eksempel, i Al-Ce-Sc-Zr-legeringer, skaper den tette og ensartede Al₁₁Ce₃ eutektiske fasen, kombinert med intragranulær L1₂-Al₃(Sc,Zr) utfelling, en dobbelstyrke{18}} Dette gjør at legeringen kan beholde en strekkstyrke på 233 MPa ved 300 grader og 142 MPa ved 400 grader, uten at det er observert noen vesentlig kornforgrovning selv etter langvarig termisk eksponering ved 400 grader i 96 timer. For det andre er intermetallisk forsterkning avhengig av å velge intermetalliske forbindelser med lave diffusjonskoeffisienter og høye smeltepunkter for å danne en stiv skjelettstruktur ved forhøyede temperaturer. Grovhastighetskonstanten til Al₁₁Ce₃-fasen ved 400 grader er bare 1,6 nm³/s-signifikant lavere enn for Al₂Cu-fasen i tradisjonelle Al-Cu-legeringer ved samme temperatur (omtrent 100 nm³); denne overlegne høye-temperaturstabiliteten gjør at førstnevnte kontinuerlig fungerer som en effektiv barriere mot dislokasjonsbevegelse. For det tredje hemmer regulering av atomskala- forgrovning ved å introdusere segregerende elementer ved grenseflatene mellom forsterkende faser og matrisen. Studier har vist at elementer som Sc, Zr, Si og Mn-som segregerer ved θ′-Al₂Cu/ -Al-grensesnittet-kan senke grenseflateenergien og hindre atomdiffusjon, og dermed utvide brukstemperaturområdet til alle 1soy}}2xxx-grenseverdiene på 2x00. mellom 250 grader og 300 grader. En studie publisert i *Nature Communications*-ledet av akademiker Lu Jian fra City University of Hong Kong i samarbeid med flere institusjoner-har tatt et betydelig skritt fremover ved å bruke vanlige urenheter som finnes i aluminiumslegeringer (Si, Fe, Mn og Ni) for å utvikle en varmebestandig- Al-7.44Si-2.34Fe-1.79Mn-1.12Ni-legering som verken inneholder edle metaller eller sjeldne jordartsmetaller. Under raske størkningsforhold gjennomgår denne legeringen ikke-likevektssegregering, og innebygger varme-intermetalliske nanoutfellinger med flere-komponenter-som okkuperer en volumfraksjon på opptil 14 %-ved de størkningsbare cellegrensene, og danner derved mikrostrukturer som kan stabilisere cellene. Uten å kreve noen etterbehandling-, viser legeringen en romtemperatur-strekkstyrke på 582 MPa, med styrker på 263 MPa og 114 MPa ved henholdsvis 300 grader og 400 grader. Videre avslører studien-for første gang i aluminiumlegeringer-en herdemekanisme drevet av faststoff-amorfisering: under høy-temperaturdeformasjon gjennomgår en del av de intermetalliske nanoprecipitatene en faststoff-amorf transformasjon + en "endelig" amorf transformasjon (L1₂-ordnet ′-(Ni,Fe)₃Al fase)" nanobifasisk struktur som gir en ekstra energispredningsvei for sprekkforplantning ved høy temperatur.
