01 Izazovi ere - Zbog svoje male gustoće, visoke specifične čvrstoće i izvrsne otpornosti na koroziju, aluminijske legure postale su nezamjenjivi konstrukcijski materijali u sektoru zrakoplovne, automobilske i energetske opreme. Međutim, dok zahtjevi moderne industrije za složenim geometrijama i visokim-učinkom, laganim komponentama rastu, tradicionalne metode lijevanja i strojne obrade suočavaju se s temeljnim ograničenjima u proizvodnji dijelova koji imaju zamršene unutarnje kanale, rešetkaste strukture i značajke tankih-stjenki. Tehnologije aditivne proizvodnje-točnije Laser Powder Bed Fusion (LPBF) i Laser Directed Energy Deposition (LDED)-nude revolucionarne puteve za prevladavanje ovih proizvodnih uskih grla. LPBF tehnologija koristi visoko-energetsku lasersku zraku za selektivno taljenje prethodno-nataloženih slojeva praha, gradeći složene komponente s gustoćom većom od 99,5% sloj po sloj; s tipičnim brzinama hlađenja koje dosežu reda veličine 10⁶ K/s, može proizvesti prezasićene čvrste otopine i ultrafine-zrnate mikrostrukture daleko od ravnotežnih stanja skrućivanja. U međuvremenu, LDED tehnologija, koja koristi sinkroni unos praha i lasersko taljenje, pokazuje jedinstvene prednosti u popravku oštećenih dijelova i proizvodnji strukturnih komponenti velikih-razmjera, kao i materijala s gradacijom sastava. Ipak, aluminijske legure nailaze na niz intrinzičnih fizikalnih-metalurških izazova tijekom laserske aditivne proizvodnje. Na sobnoj temperaturi, aluminijske legure pokazuju refleksiju veću od 90% za blisko-infracrvene lasere (valna duljina: 1070 nm), što rezultira iznimno niskom energetskom učinkovitošću spajanja i zahtijeva lasere visoke-snage-gustoće za uspostavljanje stabilnog bazena taline. Površine aluminijskih legura lako tvore gusti oksidni film (Al₂O₃) s talištem od 2072 stupnja -što je znatno više od tališta od 660 stupnjeva aluminijske matrice; fragmenti ovog oksidnog filma često se ne uspiju potpuno otopiti unutar bazena taline, često služeći kao početna mjesta za pukotine i nedostatak--defekata fuzije. Što je još kritičnije, topljivost vodika u tekućem aluminiju (približno. 0.7 cm³/100g) daleko je veća nego u čvrstom aluminiju (približno. 0.04 cm³/100g); tijekom brzog skrućivanja, prezasićeni atomi vodika ne mogu difundirati na vrijeme i umjesto toga se akumuliraju na graničnoj površini kruto-tekuće da bi formirali jezgre mjehurića, ostavljajući za sobom metalurške pore u rasponu od nekoliko do nekoliko desetaka mikrometara u promjeru unutar skrutnute mikrostrukture. U međuvremenu, široki temperaturni raspon skrućivanja (npr. preko 150 stupnjeva za Al7075) i značajno skupljanje tijekom skrućivanja (približno 6%) aluminijskih legura čine ih vrlo osjetljivima na poroznost skupljanja skrućivanja i vruće pucanje nakon što se kanali za napajanje zatvore tijekom završnih faza skrućivanja bazena taline; ovi problemi predstavljaju ključne izazove u LPBF obradi aluminijskih legura serije 2xxx i 7xxx visoke-čvrstoće. Ekstremne toplinske ciklističke karakteristike svojstvene laserskoj aditivnoj proizvodnji-koje uključuju lokalizirane temperature bazena taline koje prelaze 2000 stupnjeva zajedno s temperaturama okolnog praha i supstrata u rasponu od sobne temperature do 200 stupnjeva, što rezultira temperaturnim gradijentima od čak 10⁶ K/m-stvara složena polja toplinskog naprezanja unutar komponente; ako se ne kontroliraju, ta naprezanja mogu dovesti do savijanja, deformacije ili čak pucanja međusloja.
02 Dizajn sastava - Na razini dizajna sastava, sustavi legura koji se tradicionalno koriste za lijevanje i kovanje često su neprikladni za aditivnu proizvodnju. Uzimajući za primjer leguru AlSi10Mg, njezin gotovo-eutektički sastav daje izvrsnu fluidnost tijekom lijevanja; međutim, pod uvjetima brzog skrućivanja LPBF-a, mreža grube eutektičke silicijske faze djeluje kao izvor koncentracije naprezanja. Nadalje, vlačna čvrstoća legure na 300 stupnjeva pada na približno 10% čvrstoće na sobnoj-temperaturi-što je fenomen koji se pripisuje brzom ogrubljivanju i otapanju eutektičke mikrostrukture na visokim temperaturama. Posljedično, razvoj specijaliziranih sustava sastava aluminijskih legura prilagođenih karakteristikama aditivne proizvodnje postao je ključni istraživački fokus na tom području.
Istraživanje Instituta za zelenu i inteligentnu tehnologiju Chongqing, Kineske akademije znanosti, otkriva da dodavanje tragova Sc (0,2–0,4 mas.%) i Zr (0,1–0,3 mas.%) legurama Al-Mg omogućuje *in situ* formiranje primarnih Al3(Sc,Zr) faza nanorazmjera s uređenom strukturom L1₂ tijekom brzog procesa skrućivanja lasera Fuzija u sloju praha (LPBF). Ove faze pokazuju izuzetno nisku neusklađenost rešetke (otprilike 1,3%) s -Al matricom i služe kao vrlo učinkovita heterogena mjesta nukleacije, pročišćavajući veličine zrna od desetaka mikrometara do sub-mikrometarske ljestvice. Studija pokazuje da ovakva-izgrađena legura Al-Mg-Mn-Sc-Zr prikazuje karakterističnu bimodalnu zrnatu strukturu: područje finih jednakoosnih zrna (prosječne veličine ~1,04 μm) na rubovima bazena taline i područje stupčastih zrna (prosječna veličina ~2,11 μm) rastu duž smjera izgradnje u središtu bazena taline. Ova heterogena struktura zrna proizlazi iz prostornih varijacija u temperaturnim gradijentima i gustoćama nukleacije unutar bazena taline; rubovi imaju visoke temperaturne gradijente i obogaćenje primarnih Al3(Sc,Zr) faza, koje promiču heterogenu nukleaciju, dok je središte karakterizirano snažno usmjerenim temperaturnim gradijentom koji pogoduje epitaksijalnom rastu kristala duž smjera maksimalne disipacije topline. Naime, dok je Sc skup (približno 3000 USD/kg), Zr je relativno jeftin (približno 30 USD/kg); kombinirani dodatak ovih elemenata stvara strukturu Al₃Sc-jezgre/Al3Zr-ljuske koja ne samo da značajno poboljšava toplinsku stabilnost faza za ojačavanje, već i učinkovito smanjuje troškove legure. U međuvremenu, tim sa šangajskog sveučilišta Jiao Tong predložio je inovativnu strategiju dizajna koja se temelji na deformabilnoj-transformabilnoj eutektičkoj nanoskeli. Odabrali su gotovo{30}}eutektički Al-Er sustav (12,7 wt% Er) kao model legure, koristeći formiranje L1₂-strukturirane Al3Er faze-koja pokazuje neusklađenost rešetke od samo 3,96% s -Al, zajedno s obilnim sustavima klizanja i visokom twinning sposobnost. Tijekom procesa ispisa LPBF, Al₃Er se taloži s volumnim udjelom od približno 10,3% u obliku kontinuiranog 3D nano-kostura; ovaj kostur ne samo da podnosi visoka naprezanja koja prelaze 1300 MPa, već također olakšava plastičnu akomodaciju tijekom deformacije kroz formiranje deformacijskih blizanaca i uređenih struktura slaganja dugih-perioda 9R, čime u osnovi preokreće konvencionalni pogled da su eutektički kosturi inherentno krti. Ti{-tiskana legura Al-Er-Mg (RAE700) pokazuje granicu razvlačenja od 632 MPa, koja se povećava na 707 MPa nakon izravnog starenja uz zadržavanje istezanja od 7-10%, što rezultira sveobuhvatnim profilom performansi koji nadmašuje sve prethodno prijavljene 3D-tiskane aluminija legure. Osim toga, istraživački tim na Sveučilištu Nagoya razvio je seriju legura Al-Fe-Mn-Ti na temelju strategije "kontrole dijeljenja elemenata"; dodavanjem Cu i Mn za stabilizaciju Al₆Fe faze i njezino pretvaranje u korisnu fazu za ojačavanje-istovremenim uvođenjem Ti koji se dijeli u čvrstu fazu radi pročišćavanja zrna do približno 2,3 μm-legura postiže vlačnu čvrstoću pri sobnoj-temperaturi od 390 MPa i istezanje od 14–17%, a svojstva ostaju gotovo nepromijenjena nakon 100 sati toplinske izloženosti na 300 stupnjeva.
