01 Suvremeni izazovi: Zbog svoje niske gustoće, visoke specifične čvrstoće i izvrsne otpornosti na koroziju, aluminijske legure postale su nezamjenjivi konstrukcijski materijali u sektoru zrakoplovne, automobilske i energetske opreme. Međutim, uz sve veću potražnju u modernoj industriji za složenim geometrijama i laganim komponentama visokih-učinkovitosti, tradicionalne metode lijevanja i strojne obrade suočavaju se s temeljnim ograničenjima pri proizvodnji dijelova koji imaju zamršene unutarnje kanale, rešetkaste strukture i značajke tankih-stjena. Tehnologije aditivne proizvodnje-posebno Laser Powder Bed Fusion (LPBF) i Laser Directed Energy Deposition (LDED)-nude revolucionarne puteve za prevladavanje ovih proizvodnih uskih grla. LPBF tehnologija konstruira složene komponente s gustoćom većom od 99,5% selektivnim topljenjem prethodno-nataloženih slojeva praha pomoću laserske zrake visoke-energije, gradeći strukturu sloj po sloj. S tipičnim brzinama hlađenja koje dosežu reda veličine 10⁶ K/s, ovaj proces omogućuje stvaranje prezasićenih čvrstih otopina i ultrafinih-zrnatih mikrostruktura koje leže daleko izvan ravnotežnog stanja skrućivanja. Suprotno tome, LDED tehnologija-koja koristi istovremeno ubacivanje praha uz lasersko topljenje-pokazuje jedinstvene prednosti u popravku oštećenih dijelova, izradi-strukturalnih komponenti velikih razmjera i proizvodnji funkcionalno stupnjevanih materijala. Unatoč tome, aluminijske legure susreću se s nizom inherentnih fizikalnih-metalurških izazova tijekom procesa proizvodnje laserskih aditiva. Aluminijske legure pokazuju refleksivnost od preko 90% prema-infracrvenim laserima (s valnom duljinom od 1070 nm) na sobnoj temperaturi; to rezultira iznimno niskom učinkovitošću spajanja energije, što zahtijeva upotrebu lasera-snage-gustoće za uspostavljanje stabilnog bazena taline. Nadalje, gusti oksidni film (Al₂O3) lako se stvara na površini aluminijskih legura. S točkom taljenja od 2072 stupnja -što je znatno više od one aluminijske matrice (660 stupnjeva )-fragmenti ovog oksidnog filma često se ne uspiju potpuno rastopiti unutar bazena taline, često služeći kao mjesta nukleacije za pukotine i izvore nedostatka-ne-fuzijske greške. Najkritičnije je da je topljivost vodika u tekućem aluminiju (približno 0,7 cm³/100 g) uvelike veća od one u čvrstom aluminiju (približno 0,04 cm³/100 g). Tijekom brzog procesa skrućivanja, prezasićenim atomima vodika nedostaje dovoljno vremena da difundiraju; umjesto toga, akumuliraju se na prednjoj strani sučelja kruto-tekuće kako bi formirali jezgre mjehurića plina, ostavljajući za sobom metalurške pore u rasponu od nekoliko mikrona do desetaka mikrona u promjeru unutar skrutnute mikrostrukture. U međuvremenu, široki temperaturni raspon skrućivanja aluminijskih legura (npr. preko 150 stupnjeva za Al7075) i njihovo značajno skupljanje uslijed skrućivanja (približno 6%) čine ih vrlo osjetljivima na poroznost skrućivanja i vruće pucanje nakon što se zatvore dovodni kanali na repu bazena taline. Ovo predstavlja glavni izazov s kojim se suočavaju aluminijske legure visoke-serije 2xxx i 7xxx tijekom LPBF procesa. Nadalje, ekstremno toplinsko cikliranje karakteristično za proizvodnju laserskih aditiva-gdje lokalizirane temperature bazena taline prelaze 2000 stupnjeva dok okolni prah i supstrat ostaju između sobne temperature i 200 stupnjeva, što rezultira temperaturnim gradijentima od čak 10⁶ K/m-generira složeno polje toplinskog naprezanja unutar proizvedenih komponenti; ako se ne kontrolira, to može dovesti do savijanja, deformacije, pa čak i među-pukotina u slojevima.
02 Dizajn sastava: Na razini dizajna sastava, sustavi aluminijskih legura koji se tradicionalno koriste u lijevanju i kovanju često su neprikladni za aditivnu proizvodnju. Uzimajući za primjer leguru AlSi10Mg: dok joj njen gotovo{3}}eutektički sastav daje izvrsnu fluidnost tijekom lijevanja, pod uvjetima brzog skrućivanja LPBF-a, gruba mreža eutektičkih silicijskih faza paradoksalno postaje izvor koncentracije naprezanja. Nadalje, vlačna čvrstoća legure na 300 stupnjeva pada na približno 10% čvrstoće pri sobnoj-temperaturi-što je fenomen koji se pripisuje brzom ogrubljivanju i otapanju eutektičke mikrostrukture na povišenim temperaturama. Posljedično, razvoj specijaliziranih sustava aluminijskih legura skrojenih prema jedinstvenim karakteristikama aditivne proizvodnje pojavio se kao ključno žarište istraživanja u ovom području.
Istraživanje koje je proveo Institut za zelenu i inteligentnu tehnologiju Chongqing, Kineska akademija znanosti, otkriva da dodavanjem tragova Sc (0,2-0,4 wt%) i Zr (0,1-0,3 wt%) legurama na bazi Al-Mg-, nanorazmjerne primarne faze Al3(Sc,Zr)-posjeduju uređeni L1₂ struktura-može se formirati *in situ* tijekom procesa brzog skrućivanja laserske puder fuzije (LPBF). Ova faza pokazuje izuzetno nisku neusklađenost rešetke (otprilike 1,3%) s -Al matricom, čime služi kao vrlo učinkovito heterogeno mjesto nukleacije koje pročišćava veličinu zrna od desetaka mikrometara do razine ispod -mikrometara. Studija dalje primjećuje da SLM-proizvedena legura Al-Mg-Mn-Sc-Zr predstavlja karakterističnu bimodalnu zrnatu strukturu: rubovi bazena taline imaju finu zonu jednakoosnog zrna s prosječnom veličinom zrna od približno 1,04 μm, dok se središte bazena taline sastoji od stupčaste zona zrna-koja raste duž smjera izgradnje-s prosječnom veličinom zrna od približno 2,11 μm. Ova heterogena struktura zrna proizlazi iz prostornih varijacija u temperaturnim gradijentima i gustoćama nukleacije unutar bazena taline; konkretno, rubove bazena taline karakteriziraju strmi gradijenti temperature i obogaćenje Al3(Sc,Zr) primarnih faza, što potiče heterogenu nukleaciju, dok središte bazena taline pokazuje visoko usmjeren temperaturni gradijent koji olakšava epitaksijalni rast kristala duž smjera maksimalne disipacije topline. Naime, dok je Sc skup element (cijena mu je približno 3000 USD/kg), Zr je relativno jeftin (približno 30 USD/kg); kombinirani dodatak ova dva elementa stvara jezgru-strukturu ljuske-koja se sastoji od Al₃Sc jezgre i Al₃Zr ljuske-što ne samo da značajno poboljšava toplinsku stabilnost faza ojačanja već i učinkovito smanjuje ukupnu cijenu legure. U međuvremenu, tim sa šangajskog sveučilišta Jiao Tong predložio je alternativnu inovativnu strategiju dizajna usredotočenu na "deformabilnu-transformabilnu eutektičku nanoskelu." Odabirom skoro{34}}eutektičkog Al-Er sustava (12,7 wt% Er) kao njihove modelne legure, tim je iskoristio sposobnost Er da formira Al3Er fazu sa L1₂ strukturom u kombinaciji s Al; ova faza pokazuje neusklađenost rešetke od samo 3,96% u odnosu na -Al matricu i karakterizirana je obiljem sustava klizanja i visokim kapacitetom za dvojničenje. Tijekom procesa ispisa LPBF, Al₃Er se taloži u obliku kontinuiranog, tro-dimenzionalnog kostura nanorazmjera, čineći približno 10,3 vol%. Ovaj kostur ne samo da je sposoban izdržati visoka naprezanja koja prelaze 1300 MPa, već također olakšava plastičnu akomodaciju tijekom deformacije kroz formiranje deformacijskih blizanaca i 9R dugo-period slaganja-uređenih struktura-čime se iz temelja prevrće tradicionalna predodžba da su eutektički kosturi inherentno krti. O-tiskana legura Al-Er-Mg (RAE700) pokazuje granicu razvlačenja od 632 MPa, koja se dodatno povećava na 707 MPa nakon tretmana izravnim starenjem, dok istovremeno održava istezanje od 7-10%; ova sveobuhvatna svojstva nadmašuju ona svih prethodno prijavljenih 3D-ispisanih aluminijskih legura. Nadalje, istraživački tim na Sveučilištu Nagoya razvio je niz legura Al-Fe-Mn-Ti na temelju strategije "kontrole elementarne particije". Dodavanjem Cu i Mn, uspješno su stabilizirali Al₆Fe fazu-pretvarajući je u korisnu fazu za jačanje-dok su istovremeno uveli Ti, koji se dijeli na čvrstu fazu kako bi potaknuo usitnjavanje zrna (na približno 2,3 μm). Posljedično, legura postiže vlačnu čvrstoću pri sobnoj-temperaturi od 390 MPa i duktilnost od 14–17%; značajno, njegova mehanička svojstva ostaju gotovo nepromijenjena čak i nakon toplinske izloženosti na 300 stupnjeva tijekom 100 sati.
03 Kontrola procesa: Kvantitativni odnos između parametara procesa i dinamike bazena taline ključan je za razjašnjavanje mehanizama koji upravljaju stvaranjem mikrostrukture u laserskoj aditivnoj proizvodnji aluminijskih legura. Dinamičko ponašanje fluida unutar bazena taline zajedno je potaknuto Marangonijevom konvekcijom, povratnim pritiskom, uzgonom i termokapilarnim silama. Među njima, Marangonijeve sile smicanja-koje proizlaze iz gradijenata površinske napetosti izazvanih gradijentima temperature na površini bazena taline-predstavljaju dominantnu silu koja pokreće tok rastaljenog metala od središta bazena prema njegovoj periferiji. Suprotno tome, povratni pritisak-generiran snažnim izbacivanjem metalne pare unutar ključanice-ispoljava kompresijsku silu koja gura rastaljeni metal prema dnu i bočnim stijenkama ključanice. Studije pokazuju da volumetrijska gustoća energije (VED) služi kao kritična metrika za određivanje prijelaza načina rada bazena taline: kada VED prijeđe približno 60 J/mm³, povratni tlak isparavanja postaje dovoljan da stvori ključanicu unutar bazena taline s omjerom širine i visine većem od 1, čime se pokreće "način ključanice"; obrnuto, proces radi u "kondukcijskom modu". Iako način ključanice olakšava postizanje visoke gustoće materijala, nestabilna oscilacija ključanice-točnije, periodično urušavanje njezine prednje stijenke-čini primarni mehanizam za stvaranje poroznosti ključanice (pore obično promjera 50-200 μm). Ove pore karakterizira njihova velika veličina i nepravilna morfologija, nanoseći znatno veću štetu učinku zamora nego fine-metalurške pore. Istraživanje provedeno na Northwestern Polytechnical University pokazalo je da dodavanje količine u tragovima (0,15 wt%) Al-Nb-B pročišćivača zrna u AlSi10Mg leguru može značajno modulirati stupčasti-na-jednakoosni prijelaz (CET). Djelujući kao heterogena mjesta nukleacije, rezultirajuće čestice NbB₂ i Al3Nb podižu volumni udio zrna s jednakom osi s manje od 20% na preko 80%; istodobno, ova intervencija smanjuje omjer plastične anizotropije (definiran kao omjer uzdužnog i poprečnog produljenja) s 3,5 na 1,2, čime se postiže stanje gotovo potpune izotropije. Evolucijske karakteristike defekata poroznosti pokazuju različite varijacije u različitim sustavima aluminijskih legura: u legurama serije Al-Cu, široki raspon skrućivanja rezultira povećanim otporom protoka unutar kašaste zone, čineći učinkovito punjenje (kompenzacijski protok taline) većim izazovom; posljedično, volumni udio metalurških pora u ovim legurama može doseći 1-2%. Nasuprot tome, legure serije Al-Si-zbog uskog raspona skrućivanja povezanog s njihovim eutektičkim sastavom-omogućuju učinkovito kontroliranje razina poroznosti ispod 0,1%. Stvaranje kristalne teksture usko je povezano s ponašanjem--sloj-po-sloj skrućivanja; kada se koristi strategija jednosmjernog skeniranja od 0 stupnjeva, a<001>tekstura se razvija duž smjera građenja, što rezultira razlikom od 10-20% između granica razvlačenja u uzdužnom (smjer građenja) i poprečnom smjeru. Suprotno tome, usvajanje strategije skeniranja rotacije od 67 stupnjeva može smanjiti intenzitet teksture na razinu slučajne orijentacije, čime se u biti eliminira anizotropija u mehaničkim svojstvima. Što se tiče rada na visokim-temperaturama, aditivno proizvedene aluminijske legure pokazuju jedinstveni potencijal za jačanje uz specifične izazove u vezi s degradacijom svojstava. Pregledni članak Središnjeg južnog sveučilišta kategorizira mehanizme ojačanja-na visokim-temperaturama toplinski-otpornih aditivnih aluminijskih legura u tri glavna puta. Prvo, više{10}}komponentni sinergijski učinak konstruira više{11}}slojnu, toplinski stabilnu arhitekturu ugradnjom elemenata s različitim brzinama difuzije. Na primjer, u legurama Al-Ce-Sc-Zr, gusta i ujednačena eutektička faza Al₁₁Ce3, u kombinaciji s intragranularnim L1₂-Al3(Sc,Zr) precipitatom, stvara dvostruki-učinak ojačanja; to omogućuje leguri da zadrži vlačnu čvrstoću od 233 MPa na 300 stupnjeva i 142 MPa na 400 stupnjeva, bez značajnog grubljanja zrna uočenog čak i nakon produljenog toplinskog izlaganja na 400 stupnjeva tijekom 96 sati. Drugo, intermetalno ojačanje oslanja se na odabir intermetalnih spojeva s niskim koeficijentima difuzije i visokim talištem za formiranje krute skeletne strukture na povišenim temperaturama. Konstanta brzine ogrubljivanja faze Al₁₁Ce3 na 400 stupnjeva je samo 1,6 nm³/s-značajno niža od one faze Al₂Cu u tradicionalnim legurama Al-Cu na istoj temperaturi (približno 100 nm³/s); ova superiorna visoka{32}}temperaturna stabilnost omogućuje prvom kontinuirano djelovanje kao učinkovita prepreka kretanju dislokacija. Treće, regulacija atomskog-razmjera sprječava ogrubljivanje uvođenjem segregacijskih elemenata na sučelja između faza ojačavanja i matrice. Studije su pokazale da elementi kao što su Sc, Zr, Si i Mn-koji se odvajaju na θ′-Al₂Cu/ -Al sučelju-mogu smanjiti međufaznu energiju i spriječiti atomsku difuziju, čime se proširuje radni temperaturni raspon legura serije 2xxx-s tradicionalne granice od 200 stupnjeva na između 250 stupnjeva i 300 stupnjeva. Studija objavljena u *Nature Communications*-koju je vodio akademik Lu Jian s Gradskog sveučilišta u Hong Kongu u suradnji s više institucija-poduzela je značajan korak naprijed korištenjem zajedničkih nečistoća pronađenih u aluminijskim legurama (Si, Fe, Mn i Ni) za razvoj toplinski-otpornog Al-7.44Si-2.34Fe-1.79Mn-1.12Ni legura koja ne sadrži niti plemenite metale niti elemente rijetke zemlje. Pod uvjetima brzog skrućivanja, ova legura prolazi kroz ne-ravnotežnu segregaciju, ugrađujući topli-više-komponentne intermetalne nanoprecipitate-koji zauzimaju volumni udio do 14%-na granicama ćelija skrućivanja, tvoreći tako toplinski stabilnu staničnu mikrostrukturu. Bez potrebe za naknadnom-obradom, legura pokazuje vlačnu čvrstoću-na sobnoj temperaturi od 582 MPa, sa čvrstoćom od 263 MPa i 114 MPa na 300 stupnjeva odnosno 400 stupnjeva. Nadalje, studija otkriva-po prvi put u aluminijskim legurama-mehanizam očvrsnuća potaknut amorfizacijom u-čvrstom stanju: tijekom-deformacije na visokoj-temperaturi, dio intermetalnih nanoprecipitata prolazi kroz amorfnu transformaciju u čvrstom stanju, na kraju stvarajući "amorfni + nanočestica (L1₂-uređena ′-(Ni,Fe)₃Al faza)" nanobifazna struktura koja pruža dodatni put disipacije energije za širenje pukotine na visokoj temperaturi.
