01 Προκλήσεις της εποχής - Λόγω της χαμηλής πυκνότητας, της υψηλής ειδικής αντοχής και της εξαιρετικής αντοχής στη διάβρωση, τα κράματα αλουμινίου έχουν γίνει απαραίτητα δομικά υλικά στους τομείς της αεροδιαστημικής, της αυτοκινητοβιομηχανίας και του ενεργειακού εξοπλισμού. Ωστόσο, καθώς η ζήτηση της σύγχρονης βιομηχανίας για πολύπλοκες γεωμετρίες και υψηλή-απόδοση, τα ελαφριά εξαρτήματα αυξάνονται, οι παραδοσιακές μέθοδοι χύτευσης και μηχανικής κατεργασίας αντιμετωπίζουν θεμελιώδεις περιορισμούς στην κατασκευή εξαρτημάτων που διαθέτουν περίπλοκα εσωτερικά κανάλια, δομές πλέγματος και χαρακτηριστικά με λεπτά-τοιχώματα. Οι τεχνολογίες πρόσθετης κατασκευής-συγκεκριμένα το Laser Powder Bed Fusion (LPBF) και η Κατευθυνόμενη Εναπόθεση Ενέργειας με Λέιζερ (LDED)-προσφέρουν επαναστατικές οδούς για να ξεπεραστούν αυτά τα σημεία συμφόρησης στην κατασκευή. Η τεχνολογία LPBF χρησιμοποιεί μια δέσμη λέιζερ υψηλής-ενέργειας για την επιλεκτική τήξη{10}}των στρώσεων σκόνης που έχουν αποτεθεί, δημιουργώντας σύνθετα εξαρτήματα με πυκνότητες που υπερβαίνουν το 99,5% στρώμα προς στρώμα. με τυπικούς ρυθμούς ψύξης που φτάνουν της τάξης των 106 K/s, μπορεί να παράγει υπερκορεσμένα στερεά διαλύματα και εξαιρετικά λεπτές-κοκκώδεις μικροδομές που απέχουν πολύ από τις καταστάσεις στερεοποίησης ισορροπίας. Εν τω μεταξύ, η τεχνολογία LDED, που χρησιμοποιεί σύγχρονη τροφοδοσία σκόνης και τήξη με λέιζερ, επιδεικνύει μοναδικά πλεονεκτήματα στην επισκευή κατεστραμμένων εξαρτημάτων και στην κατασκευή δομικών στοιχείων μεγάλης{15}}κλίμακας, καθώς και υλικών διαβαθμισμένης σύνθεσης. Ωστόσο, τα κράματα αλουμινίου αντιμετωπίζουν μια σειρά από εγγενείς φυσικές-μεταλλουργικές προκλήσεις κατά την παραγωγή προσθέτων λέιζερ. Σε θερμοκρασία δωματίου, τα κράματα αλουμινίου εμφανίζουν ανακλαστικότητα που υπερβαίνει το 90% για λέιζερ εγγύς-υπέρυθρων (μήκος κύματος: 1070 nm), με αποτέλεσμα εξαιρετικά χαμηλή ενεργειακή απόδοση σύζευξης και απαιτώντας λέιζερ υψηλής-ισχύς-πυκνότητας για τη δημιουργία μιας σταθερής συγκέντρωσης. Οι επιφάνειες από κράμα αλουμινίου σχηματίζουν εύκολα ένα πυκνό φιλμ οξειδίου (Al2O3) με σημείο τήξης 2072 μοιρών -σημαντικά υψηλότερο από το σημείο τήξης 660 μοιρών της μήτρας αλουμινίου. θραύσματα αυτής της μεμβράνης οξειδίου συχνά αποτυγχάνουν να λιώσουν εντελώς μέσα στη δεξαμενή τήγματος, χρησιμεύοντας συχνά ως θέσεις εκκίνησης για ρωγμές και έλλειψη-των-ελαττωμάτων σύντηξης. Ακόμη πιο κρίσιμο, η διαλυτότητα του υδρογόνου στο υγρό αλουμίνιο (περίπου. 0.7 cm³/100 g) είναι πολύ υψηλότερη από ό,τι στο στερεό αλουμίνιο (περίπου. 0.04 cm³/100 g). κατά τη διάρκεια της ταχείας στερεοποίησης, τα υπερκορεσμένα άτομα υδρογόνου δεν μπορούν να διαχυθούν στο χρόνο και αντ' αυτού συσσωρεύονται στη διεπιφάνεια του στερεού-υγρού για να σχηματίσουν πυρήνες φυσαλίδων, αφήνοντας τελικά μεταλλουργικούς πόρους με διάμετρο από μερικές έως αρκετές δεκάδες μικρόμετρα εντός της στερεοποιημένης μικροδομής. Εν τω μεταξύ, το ευρύ φάσμα θερμοκρασιών στερεοποίησης (π.χ. άνω των 150 μοιρών για το Al7075) και η σημαντική συρρίκνωση στερεοποίησης (περίπου 6%) των κραμάτων αλουμινίου τα καθιστούν εξαιρετικά ευαίσθητα στο πορώδες συρρίκνωσης στερεοποίησης και στο θερμό ράγισμα μόλις κλείσουν τα κανάλια τροφοδοσίας κατά τα τελικά στάδια στερεοποίησης της λίμνης τήγματος. αυτά τα ζητήματα αντιπροσωπεύουν βασικές προκλήσεις στην επεξεργασία LPBF των κραμάτων αλουμινίου της σειράς 2xxx και 7xxx υψηλής{42}}αντοχής. Τα ακραία χαρακτηριστικά θερμικού κύκλου που είναι εγγενή στην κατασκευή προσθέτων λέιζερ-που περιλαμβάνουν τοπικές θερμοκρασίες πισίνας τήγματος που υπερβαίνουν τους 2000 βαθμούς μαζί με θερμοκρασίες σκόνης και υποστρώματος που κυμαίνονται από θερμοκρασία δωματίου έως 200 βαθμούς, με αποτέλεσμα διαβαθμίσεις θερμοκρασίας έως και 10⁶ K/m{50} με μεγαλύτερη τάση στο σύνθετο πεδίο του γονιδίου. Εάν αφεθούν ανεξέλεγκτες, αυτές οι τάσεις μπορεί να οδηγήσουν σε παραμόρφωση, παραμόρφωση ή ακόμα και ρωγμές μεταξύ των στρωμάτων.
02 Σχεδιασμός σύνθεσης - Στο επίπεδο του σχεδιασμού σύνθεσης, τα συστήματα κραμάτων που χρησιμοποιούνται παραδοσιακά για χύτευση και σφυρηλάτηση είναι συχνά ακατάλληλα για την κατασκευή προσθέτων. Λαμβάνοντας ως παράδειγμα το κράμα AlSi10Mg, η σχεδόν-ευτηκτική του σύνθεση προσδίδει εξαιρετική ρευστότητα κατά τη χύτευση. Ωστόσο, υπό τις συνθήκες ταχείας στερεοποίησης του LPBF, το χονδρό δίκτυο φάσης ευτηκτικής πυριτίου λειτουργεί ως πηγή συγκέντρωσης τάσεων. Επιπλέον, η αντοχή σε εφελκυσμό του κράματος στους 300 βαθμούς πέφτει κατακόρυφα στο 10% περίπου της αντοχής του σε θερμοκρασία δωματίου-ένα φαινόμενο που αποδίδεται στην ταχεία τραχύτητα και διάλυση της ευτηκτικής μικροδομής σε υψηλές θερμοκρασίες. Κατά συνέπεια, η ανάπτυξη εξειδικευμένων συστημάτων σύνθεσης κράματος αλουμινίου προσαρμοσμένα στα χαρακτηριστικά της κατασκευής προσθέτων έχει γίνει βασικός στόχος της έρευνας στον τομέα.
Έρευνα από το Chongqing Institute of Green and Intelligent Technology, Κινεζική Ακαδημία Επιστημών, αποκαλύπτει ότι η προσθήκη ιχνοποσοτήτων Sc (0,2–0,4 wt%) και Zr (0,1–0,3 wt%) σε κράματα Al{4}}Mg επιτρέπει τον *in situ* σχηματισμό νανοκλίμακας πρωτογενούς Al33 (Scid) με τάξη στερεού Al33 (Sc, Zr) διαδικασία Laser Powder Bed Fusion (LPBF). Αυτές οι φάσεις εμφανίζουν εξαιρετικά χαμηλή αναντιστοιχία πλέγματος (περίπου 1,3%) με τη μήτρα -Al και χρησιμεύουν ως εξαιρετικά αποτελεσματικές ετερογενείς θέσεις πυρήνων, καθαρίζοντας μεγέθη κόκκων από δεκάδες μικρόμετρα έως την υπο-μικρομετρική κλίμακα. Η μελέτη δείχνει ότι το κράμα-Mg-Mg-Mn-Sc{15}}Zr έχει μια χαρακτηριστική διτροπική δομή κόκκων: μια περιοχή λεπτών ισοαξονικών κόκκων (μέσο μέγεθος ~1,04 μm) στην περιοχή τήξης ~1 μεγέθους στήλης μm) αυξάνεται κατά μήκος της κατεύθυνσης κατασκευής στο κέντρο της πισίνας τήξης. Αυτή η ετερογενής δομή κόκκων προκύπτει από χωρικές διακυμάνσεις στις κλίσεις θερμοκρασίας και τις πυκνότητες πυρήνων εντός της δεξαμενής τήγματος. Οι ακμές διαθέτουν υψηλές θερμοκρασιακές διαβαθμίσεις και εμπλουτισμό των πρωτογενών φάσεων Al3(Sc,Zr), οι οποίες προάγουν την ετερογενή πυρήνωση, ενώ το κέντρο χαρακτηρίζεται από μια έντονα κατευθυνόμενη κλίση θερμοκρασίας που ευνοεί την επιταξιακή ανάπτυξη κρυστάλλων κατά την κατεύθυνση της μέγιστης απαγωγής θερμότητας. Συγκεκριμένα, ενώ το Sc είναι ακριβό (περίπου 3.000 $/κιλό), το Zr είναι σχετικά φθηνό (περίπου 30 $/κιλό). Η συνδυασμένη προσθήκη αυτών των στοιχείων δημιουργεί μια δομή κελύφους Al3Sc-πυρήνα/Al3Zr- που όχι μόνο ενισχύει σημαντικά τη θερμική σταθερότητα των φάσεων ενίσχυσης αλλά και μειώνει αποτελεσματικά το κόστος του κράματος. Εν τω μεταξύ, μια ομάδα από το Πανεπιστήμιο της Σαγκάης Jiao Tong πρότεινε μια καινοτόμο στρατηγική σχεδίασης που βασίζεται σε ένα παραμορφώσιμο-μετασχηματιζόμενο ευτηκτικό νανοσκελετό. Επέλεξαν ένα σχεδόν{30}}ευτηκτικό σύστημα Al-Er (12,7 wt% Er) ως κράμα μοντέλου, χρησιμοποιώντας το σχηματισμό της L12-δομημένης φάσης Al3Er-που εμφανίζει αναντιστοιχία πλέγματος μόνο με ένα {{3,97}% ασυμβίβαστο με ένα σύστημα {{3,97} υψηλή ικανότητα αδελφοποίησης. Κατά τη διάρκεια της διαδικασίας εκτύπωσης LPBF, το Al3Er καθιζάνει με κλάσμα όγκου περίπου 10,3% με τη μορφή ενός συνεχούς τρισδιάστατου νανο-σκελετού. αυτός ο σκελετός όχι μόνο αντέχει σε υψηλές τάσεις που υπερβαίνουν τα 1300 MPa, αλλά διευκολύνει επίσης την πλαστική προσαρμογή κατά την παραμόρφωση μέσω του σχηματισμού διδύμων παραμόρφωσης και 9R μακράς-περιόδου στοίβαξης διατεταγμένων δομών, ανατρέποντας έτσι θεμελιωδώς τη συμβατική άποψη ότι οι ευτηκτικοί σκελετοί είναι εγγενώς εύθραυστοι. Το ως{46}}εκτυπωμένο Al-Er-κράμα Mg (RAE700) εμφανίζει αντοχή διαρροής 632 MPa, η οποία αυξάνεται στα 707 MPa μετά την άμεση γήρανση, διατηρώντας παράλληλα επιμήκυνση 7–10%, με αποτέλεσμα ένα ολοκληρωμένο προφίλ απόδοσης που ξεπερνά όλα τα προηγουμένως αναφερθέντα προφίλ απόδοσης 3D{5}. Επιπλέον, μια ερευνητική ομάδα στο Πανεπιστήμιο της Ναγκόγια ανέπτυξε μια σειρά κράματος Al-Fe-Mn-Ti βασισμένη σε μια στρατηγική "έλεγχος καταμερισμού στοιχείων". προσθέτοντας Cu και Mn για να σταθεροποιηθεί η φάση Al₆Fe και να μετατραπεί σε μια ευεργετική φάση ενίσχυσης-ενώ ταυτόχρονα εισάγεται Ti που χωρίζεται στη στερεά φάση για να εξευγενίσει τους κόκκους σε περίπου 2,3 μm-το κράμα επιτυγχάνει αντοχή δωματίου{63} και 390 MP σε μήκος θερμοκρασίας 14–17%, με τις ιδιότητες να παραμένουν ουσιαστικά αμετάβλητες μετά από 100 ώρες θερμικής έκθεσης στους 300 βαθμούς.
