01 Aikakauden haasteet - Pienen tiheyden, suuren ominaislujuutensa ja erinomaisen korroosionkestävyyden ansiosta alumiiniseoksista on tullut korvaamattomia rakennemateriaaleja ilmailu-, auto- ja energialaitteiden aloilla. Koska nykyajan teollisuuden kysyntä monimutkaisille geometrioille ja korkealle-suorituskyvylle, kevyille komponenteille kasvaa, perinteiset valu- ja koneistusmenetelmät kohtaavat perustavanlaatuisia rajoituksia osien valmistuksessa, joissa on monimutkaisia sisäkanavia, ristikkorakenteita ja ohutseinäisiä ominaisuuksia. Additiiviset valmistustekniikat-erityisesti Laser Powder Bed Fusion (LPBF) ja Laser Directed Energy Deposition (LDED)-tarjoavat vallankumouksellisia polkuja näiden tuotannon pullonkaulojen voittamiseksi. LPBF-teknologia käyttää korkean{9}}energistä lasersädettä sulattamaan valikoivasti esi-saostetut jauhekerrokset ja rakentamaan monimutkaisia komponentteja, joiden tiheys ylittää 99,5 % kerros kerrokselta; Tyypillisellä jäähdytysnopeudella, joka on luokkaa 10⁶ K/s, se voi tuottaa ylikylläisiä kiinteitä liuoksia ja erittäin hienojakoisia{13}}mikrorakenteita, jotka ovat kaukana tasapainokiinteytystiloista. Samaan aikaan synkronista jauheen syöttöä ja lasersulatusta hyödyntävä LDED-tekniikka osoittaa ainutlaatuisia etuja vaurioituneiden osien korjaamisessa ja suuren mittakaavan rakenneosien sekä koostumukseltaan lajiteltujen materiaalien valmistuksessa. Siitä huolimatta alumiiniseokset kohtaavat joukon luontaisia fyysisiä{17}}metallurgisia haasteita laserlisäaineiden valmistuksen aikana. Huoneenlämmössä alumiiniseosten heijastavuus ylittää 90 % lähiinfrapunalasereilla (aallonpituus: 1070 nm), mikä johtaa erittäin alhaiseen energian kytkentätehokkuuteen ja vaatii korkean -teho-tiheyden lasereita vakaan sulatusaltaan luomiseksi. Alumiiniseospinnat muodostavat helposti tiheän oksidikalvon (Al2O3), jonka sulamispiste on 2072 astetta -merkittävästi korkeampi kuin alumiinimatriisin 660 asteen sulamispiste; tämän oksidikalvon fragmentit eivät useinkaan sula kokonaan sulatealtaassa, ja ne toimivat usein halkeamien alkamispaikkoina ja -fuusiovirheiden puuttuessa. Vielä kriittisemmin vedyn liukoisuus nestemäiseen alumiiniin (noin . 0.7 cm³/100 g) on paljon korkeampi kuin kiinteässä alumiinissa (noin . 0.04 cm³/100 g); nopean kiinteytymisen aikana ylikyllästyt vetyatomit eivät voi diffundoitua ulos ajoissa, vaan ne kerääntyvät kiinteän-nesteen rajapinnalle muodostaen kupliaytimiä, mikä lopulta jättää jälkeensä metallurgisia huokosia, joiden halkaisija vaihtelee muutamasta kymmeniin mikrometriin jähmettyneeseen mikrorakenteeseen. Samaan aikaan alumiiniseosten laaja jähmettymislämpötila-alue (esim. yli 150 astetta Al7075:lle) ja merkittävä jähmettymiskutistuminen (noin 6 %) tekevät niistä erittäin herkkiä kutistumishuokoisuudelle ja kuumahalkeilulle, kun syöttökanavat sulkeutuvat sulaaltaan jähmettymisen loppuvaiheessa; nämä ongelmat ovat suuria haasteita lujien 2xxx- ja 7xxx-sarjan alumiiniseosten LPBF-käsittelyssä. Laserlisäaineiden valmistukseen ominaiset äärimmäiset lämpökiertoominaisuudet-mukaan lukien paikalliset yli 2000 asteen sulatusaltaan lämpötilat sekä ympäröivän jauheen ja alustan lämpötilat huoneenlämpötilasta 200 asteeseen, mikä johtaa jopa 10⁶ K/m-erityisiin lämpötilagradienteihin jos ne jätetään hallitsemattomiksi, nämä jännitykset voivat johtaa vääntymiseen, muodonmuutokseen tai jopa välikerrosten halkeilemiseen.
02 Koostumussuunnittelu - Koostumussuunnittelun tasolla perinteisesti valussa ja takomisessa käytetyt seosjärjestelmät eivät usein sovellu lisäainevalmistukseen. Kun otetaan esimerkkinä AlSi10Mg-seos, sen lähes -eutektinen koostumus antaa erinomaisen juoksevuuden valun aikana; LPBF:n nopeassa jähmettymisolosuhteissa karkea eutektinen piifaasiverkosto toimii kuitenkin jännityksen keskittymisen lähteenä. Lisäksi lejeeringin vetolujuus 300 asteessa putoaa noin 10 prosenttiin sen huoneenlämpötilan-lujuudesta-, mikä johtuu eutektisen mikrorakenteen nopeasta karkenemisesta ja liukenemisesta korkeissa lämpötiloissa. Tästä johtuen lisäainevalmistuksen ominaisuuksiin räätälöityjen erikoistuneiden alumiiniseoskoostumusjärjestelmien kehittämisestä on tullut alan keskeinen tutkimuskohde.
Kiinan tiedeakatemian Chongqingin vihreän ja älykkään teknologian instituutin tutkimus paljastaa, että Sc:n (0,2–0,4 painoprosenttia) ja Zr:n (0,1–0,3 painoprosenttia) lisääminen Al-Mg-seoksiin mahdollistaa nanomittakaavan primaarisen Al₃:n (Sc, Zr₂) nopean rakenteellisen prosessin nopean prosessin aikana *in situ* muodostumisen. Powder Bed Fusion (LPBF). Näillä faaseilla on erittäin alhainen hila-epäsopivuus (noin 1,3 %) -Al-matriisin kanssa, ja ne toimivat erittäin tehokkaina heterogeenisina ydintymiskohtina, jalostavat raekokoja kymmenistä mikrometreistä ali-mikrometrin mittakaavaan. Tutkimus osoittaa, että -rakennettu Al-Mg-Mn-Sc-Zr-seoksella on tyypillinen bimodaalinen raerakenne: hienojakoisten rakeiden alue (keskimääräinen koko ~1,04 μm) sulatusalueen reunojen 1 ja raealueen2 reunojen kohdalla. μm) kasvaa rakennussuuntaa pitkin sulatusaltaan keskustassa. Tämä heterogeeninen raerakenne syntyy lämpötilagradienttien ja ytimien tiheyksien spatiaalisista vaihteluista sulaaltaan sisällä; reunoilla on korkeat lämpötilagradientit ja primaaristen Al3(Sc,Zr)-faasien rikastaminen, mikä edistää heterogeenista nukleaatiota, kun taas keskukselle on ominaista voimakkaasti suunnattu lämpötilagradientti, joka suosii epitaksiaalista kiteiden kasvua maksimaalisen lämmönpoiston suunnassa. On huomattava, että vaikka Sc on kallista (noin 3 000 dollaria/kg), Zr on suhteellisen halpa (noin 30 dollaria/kg); näiden elementtien yhdistetty lisäys luo Al₃Sc-core/Al₃Zr--kuorirakenteen, joka ei ainoastaan paranna merkittävästi lujitusvaiheiden lämpöstabiilisuutta, vaan myös vähentää tehokkaasti seoskustannuksia. Sillä välin Shanghai Jiao Tong -yliopiston tiimi on ehdottanut innovatiivista suunnittelustrategiaa, joka perustuu deformoituvaan-muuntuvaan eutektiseen nanorakenteeseen. He valitsivat malliseokseksi lähes -eutektisen Al-Er-järjestelmän (12,7 paino-% Er) hyödyntäen L1₂-strukturoidun Al₃Er-vaiheen-muodostusta, jossa on vain 3,96}}%:n hila-epäsopivuus Al- ja korkean {{31}lipin kanssa. kyky. LPBF-tulostusprosessin aikana Al₃Er saostuu tilavuusosuudella noin 10,3 % jatkuvan 3D-nano{41}}rungon muodossa; tämä luuranko ei vain kestä suuria, yli 1 300 MPa:n jännityksiä, vaan se myös helpottaa plastista mukautumista muodonmuutoksen aikana muodostamalla muodonmuutoskaksosia ja 9R pitkiä -jaksoja pinoavia järjestettyjä rakenteita, mikä kumoaa perusteellisesti tavanomaisen näkemyksen, jonka mukaan eutektiset luurangot ovat luonnostaan hauraita. As-painetun Al-Er-Mg-lejeeringin (RAE700) myötölujuus on 632 MPa, joka kasvaa 707 MPa:iin suoran vanhentamisen jälkeen säilyttäen samalla 7–10 %:n venymän, mikä johtaa kattavaan suorituskykyprofiiliin, joka ylittää kaikki aiemmin raportoidut 5} 3D. Lisäksi Nagoyan yliopiston tutkimusryhmä kehitti Al-Fe-Mn-Ti-seossarjan, joka perustui "elementtien osioinnin ohjaus" -strategiaan. lisäämällä Cu:ta ja Mn:a stabiloimaan Al₆Fe-faasia ja muuttamaan se hyödylliseksi vahvistusfaasiksi-samanaikaisesti lisäämällä Ti:tä, joka jakautuu kiinteään faasiin ja jalostaa rakeita noin 2,3 μm-seos saavuttaa huoneenlämpöisen-vetolujuuden, jonka vetolujuus on 3 % ja vetolujuus 490 MPa. ominaisuudet pysyvät käytännössä muuttumattomina 100 tunnin lämpöaltistuksen jälkeen 300 asteessa.
