01 Nykyaikaiset haasteet: Alumiiniseosten alhaisen tiheyden, suuren ominaislujuuden ja erinomaisen korroosionkestävyyden ansiosta niistä on tullut korvaamattomia rakennemateriaaleja ilmailu-, auto- ja energialaitteiden aloilla. Monimutkaisten geometrioiden ja tehokkaiden kevyiden komponenttien kysynnän kasvaessa nykyaikaisessa teollisuudessa perinteiset valu- ja työstömenetelmät kohtaavat kuitenkin perustavanlaatuisia rajoituksia valmistettaessa osia, joissa on monimutkaisia sisäisiä kanavia, 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 rakentaa monimutkaisia komponentteja, joiden tiheys ylittää 99,5 %, sulattamalla valikoivasti esi-saostetut jauhekerrokset korkean{10}}energisen lasersäteen avulla rakentaen rakennetta kerros kerrokselta. Kun tyypilliset jäähdytysnopeudet saavuttavat luokkaa 10⁶ K/s, tämä prosessi mahdollistaa ylikyllästettyjen kiinteiden liuosten ja erittäin hienojakoisten{13}}mikrorakenteiden muodostumisen, jotka ovat kaukana tasapainokiinteytystilan ulkopuolella. Sitä vastoin LDED-tekniikka-joka käyttää samanaikaista jauheen syöttöä lasersulatuksen kanssa-osoittaa ainutlaatuisia etuja vaurioituneiden osien korjaamisessa, suurien{17}}rakenneosien valmistuksessa ja toiminnallisesti luokiteltujen materiaalien tuotannossa. Siitä huolimatta alumiiniseokset kohtaavat joukon luontaisia fyysisiä{19}}metallurgisia haasteita laserlisäaineiden valmistusprosessin aikana. Alumiiniseosten heijastuskyky on yli 90 % lähellä infrapunalasereita (aallonpituus 1070 nm) kohtaan huoneenlämpötilassa; tämä johtaa erittäin alhaiseen energian kytkentätehokkuuteen, mikä edellyttää korkean{24}}tehotiheyden{25}}laserien käyttöä vakaan sulatusaltaan luomiseksi. Lisäksi alumiiniseosten pinnalle muodostuu helposti tiheä oksidikalvo (Al2O3). Tämän oksidikalvon sulamispiste on 2 072 astetta, mikä on huomattavasti korkeampi kuin alumiinimatriisin sulamispiste (660 astetta )-. Tämän oksidikalvon fragmentit eivät useinkaan sula kokonaan sulatealtaassa, ja ne toimivat usein ytimen muodostumispaikkoina halkeamille ja puutteiden -fuusiovikojen lähteenä{33}}. Mikä tärkeintä, vedyn liukoisuus nestemäiseen alumiiniin (noin 0,7 cm³/100 g) on huomattavasti korkeampi kuin kiinteään alumiiniin (noin 0,04 cm³/100 g). Nopean kiinteytysprosessin aikana ylikyllästetyillä vetyatomeilla ei ole riittävästi aikaa diffundoitua; sen sijaan ne kerääntyvät kiinteän-nesteen rajapinnan etupuolelle muodostaen kaasukuplaytimiä, jotka lopulta jättävät jälkeensä metallurgisia huokosia, joiden halkaisija vaihtelee muutamasta mikroneista kymmeniin mikroneihin jähmettyneeseen mikrorakenteeseen. Samaan aikaan alumiiniseosten laaja jähmettymislämpötila-alue (esim. yli 150 astetta Al7075:lle) ja niiden merkittävä jähmettymiskutistuminen (noin 6 %) tekevät niistä erittäin herkkiä jähmettymishuokoisuudelle ja kuumahalkeilulle, kun sulaaltaan perässä olevat syöttökanavat sulkeutuvat. Tämä muodostaa ydinhaasteen, jota lujat 2xxx- ja 7xxx-sarjan alumiiniseokset kohtaavat LPBF-prosessin aikana. Lisäksi laserlisäaineiden valmistuksen äärimmäinen lämpösyklinen ominaisuus-jossa paikalliset sulatusaltaan lämpötilat ylittävät 2 000 astetta, kun taas ympäröivä jauhe ja substraatti pysyvät huoneenlämpötilan ja 200 asteen välillä, mikä johtaa jopa 10⁶ K/m{56}}suuriin lämpötilagradienteihin, mikä luo monimutkaisen lämpöjännityskentän valmistettuihin komponentteihin; Jos se jätetään hallitsematta, se voi johtaa vääntymiseen, muodonmuutokseen ja jopa kerrosten väliseen halkeamiseen.
02 Koostumussuunnittelu: Koostumussuunnittelun tasolla perinteisesti valussa ja takomisessa käytetyt alumiiniseosjärjestelmät eivät usein sovellu lisäainevalmistukseen. Esimerkkinä AlSi10Mg-seos: vaikka sen lähes -eutektinen koostumus antaa sille erinomaisen juoksevuuden valun aikana, LPBF:n nopeassa jähmettymisolosuhteissa karkeasta eutektisten piifaasien verkostosta tulee paradoksaalisesti jännityksen keskittymisen lähde. Lisäksi lejeeringin vetolujuus 300 asteessa putoaa noin 10 prosenttiin sen huoneenlämpötilan -lujuudesta-, mikä johtuu eutektisen mikrorakenteen nopeasta karkenemisesta ja liukenemisesta korkeissa lämpötiloissa. Tämän seurauksena erikoistuneiden alumiiniseosjärjestelmien kehittäminen, jotka on räätälöity lisäaineiden valmistuksen ainutlaatuisiin ominaisuuksiin, on noussut keskeiseksi tutkimuskeskukseksi tällä alalla.
Kiinan tiedeakatemian Chongqing Institute of Green and Intelligent Technology -instituutin tutkimus paljastaa, että lisäämällä pieniä määriä Sc:tä (0,2–0,4 painoprosenttia) ja Zr:ää (0,1–0,3 painoprosenttia) Al-Mg--pohjaisiin metalliseoksiin saadaan nanomittakaavan Al₃(Sc,Zr6}) -perusvaihe. rakenne-voi muodostua *in situ* Laser Powder Bed Fusionin (LPBF) nopean jähmettymisprosessin aikana. Tässä faasissa on erittäin alhainen hila-epäsopivuus (noin 1,3 %) -Al-matriisin kanssa, mikä toimii erittäin tehokkaana heterogeenisena nukleaatiokohtana, joka jalostaa raekoon kymmenistä mikrometreistä ali{12}}mikrometrin tasolle. Tutkimuksessa todetaan lisäksi, että SLM-valmistetulla Al-Mg-Mn-Sc-Zr-seoksella on tyypillinen bimodaalinen raerakenne: sulatusaltaan reunoilla on hieno tasaakselinen raevyöhyke, jonka keskimääräinen raekoko on noin 1 μm a0:sta. pylväsmäinen raevyöhyke-kasvaa rakennussuuntaa pitkin-keskimääräisen raekoon ollessa noin 2,11 μm. Tämä heterogeeninen raerakenne johtuu lämpötilagradienttien ja ytimien tiheyksien spatiaalisista vaihteluista sulaaltaan sisällä; erityisesti sulaaltaan reunoille on tunnusomaista jyrkät lämpötilagradientit ja Al3(Sc,Zr) -primäärifaasien rikastaminen, mikä edistää heterogeenista nukleaatiota, kun taas sulaaltaan keskustassa on erittäin suunnattu lämpötilagradientti, joka helpottaa kiteiden epitaksiaalista kasvua maksimaalisen lämmönpoiston suunnassa. On huomattava, että vaikka Sc on kallis elementti (hinta noin 3 000 dollaria/kg), Zr on suhteellisen halpa (noin 30 dollaria/kg); näiden kahden elementin yhdistetty lisäys luo ydin-kuorirakenteen-, joka koostuu Al₃Sc-ytimestä ja Al₃Zr-kuoresta,-joka ei ainoastaan paranna merkittävästi vahvistusvaiheiden lämpöstabiilisuutta, vaan myös alentaa tehokkaasti lejeeringin kokonaiskustannuksia. Sillä välin Shanghai Jiao Tong -yliopiston tiimi on ehdottanut vaihtoehtoista innovatiivista suunnittelustrategiaa, joka keskittyy "muodostuvaan-muuntuvaan eutektiseen nanorakenteeseen". Valitessaan lähes -eutektisen Al-Er-järjestelmän (12,7 paino-% Er) malliseokseksi, tiimi hyödynsi Er:n kykyä muodostaa Al₃Er-faasi L12-rakenteella yhdessä Al:n kanssa; tässä vaiheessa on vain 3,96 %:n ristikkoero -Al-matriisiin verrattuna, ja sille on tunnusomaista luistojärjestelmien runsaus ja suuri twinning-kapasiteetti. LPBF-tulostusprosessin aikana Al₃Er saostuu jatkuvana, kolmiulotteisena nanomittakaavan rungon muodossa, muodostaen noin 10,3 tilavuusprosenttia. Tämä luuranko ei ainoastaan kestä suuria, yli 1 300 MPa:n jännityksiä, vaan se myös helpottaa plastista mukautumista muodonmuutoksen aikana muodostamalla muodonmuutoskaksosia ja 9R pitkiä-jaksoja pinoavia-järjestyneitä rakenteita-, mikä kumoaa perinteisen käsityksen siitä, että luurankot ovat eutekettisesti hauraita. As-painetun Al-Er-Mg-lejeeringin (RAE700) myötölujuus on 632 MPa, joka kasvaa edelleen 707 MPa:iin suoran vanhentamiskäsittelyn jälkeen säilyttäen samalla 7–10 %:n venymän; nämä kattavat ominaisuudet ylittävät kaikkien aiemmin raportoitujen 3D-{59}}painettujen alumiiniseosten ominaisuudet. Lisäksi Nagoyan yliopiston tutkimusryhmä on kehittänyt sarjan Al-Fe-Mn-Ti-seoksia, jotka perustuvat "alkuaineosion hallinta" -strategiaan. Cu:ta ja Mn:ää lisäämällä ne stabiloivat onnistuneesti Al₆Fe-faasin-muuntaen sen hyödylliseksi vahvistusfaasiksi-samalla samalla lisätivät Ti:tä, joka jakaa kiinteään faasiin rakeiden jalostamiseksi (noin 2,3 μm:iin). Näin ollen lejeeringillä saavutetaan huoneenlämpötilassa 390 MPa:n vetolujuus ja 14–17 %:n sitkeys; merkittävästi, sen mekaaniset ominaisuudet pysyvät käytännössä muuttumattomina jopa 100 tunnin lämpöaltistuksen jälkeen 300 asteessa.
03 Prosessin hallinta: Prosessiparametrien ja sulatteen dynamiikan välinen kvantitatiivinen suhde on avainasemassa mikrorakenteen muodostumista ohjaavien mekanismien selvittämisessä alumiiniseosten laserlisäainevalmistuksessa. Nesteen dynaamisia käyttäytymismalleja sulaaltaan sisällä ohjaavat yhdessä Marangoni-konvektio, rekyylipaine, kelluvuus ja lämpökapillaarivoimat. Näistä Marangoni-leikkausvoimat, jotka johtuvat lämpötilagradienttien aiheuttamista pintajännitysgradienteista sulaaltaan pinnalla-, muodostavat hallitsevan voiman, joka ohjaa sulan metallin virtausta altaan keskustasta sen reunaa kohti. Päinvastoin, avaimenreiän sisällä metallihöyryn voimakkaasta poistumisesta syntyvä palautumispaine-kohdistaa puristusvoiman, joka työntää sulaa metallia kohti avaimenreiän pohjaa ja sivuseiniä. Tutkimukset osoittavat, että volyymienergiatiheys (VED) toimii kriittisenä mittarina sulaaltaan tilasiirtymien määrittämisessä: kun VED ylittää noin 60 J/mm³, haihtumisrekyylipaineesta tulee riittävä muodostamaan avaimenreikä sulatealtaaseen, jonka sivusuhde on suurempi kuin 1, mikä käynnistää "avaimenreikätilan"; päinvastoin prosessi toimii "johtamistilassa". Vaikka avaimenreikätila helpottaa korkean materiaalitiheyden saavuttamista, avaimenreiän epävakaa värähtely -erityisesti, sen etuseinän ajoittainen romahtaminen-muodostää ensisijaisen mekanismin avaimenreiän huokoisuuden muodostumiselle (huokosten halkaisija tyypillisesti 50–200 μm). Näille huokosille on tunnusomaista niiden suuri koko ja epäsäännöllinen morfologia, mikä heikentää väsymiskykyä huomattavasti enemmän kuin pienet{17}}mittakaavaiset metallurgiset huokoset. Northwestern Polytechnical Universityssä tehty tutkimus on osoittanut, että vähäisen määrän (0,15 paino-%) Al-Nb-B-raejauhimen lisääminen AlSi10Mg-seokseen voi merkittävästi muuttaa pylväs{23}}--tasapainoista siirtymää (CET). Heterogeenisinä ytimenmuodostuskohtina toimiessaan tuloksena olevat NbB2- ja Al3Nb-hiukkaset nostavat tasaakselisten jyvien tilavuusosuuden alle 20 %:sta yli 80 %:iin; samanaikaisesti tämä toimenpide vähentää plastisen anisotropiasuhteen (määritelty pitkittäisen ja poikittaisen venymän suhteena) arvosta 3,5 arvoon 1,2, jolloin saavutetaan lähes täydellinen isotropia. Huokoisuusvirheiden evolutionaariset ominaisuudet vaihtelevat eri alumiiniseosjärjestelmissä: Al-Cu-sarjan seoksissa laaja jähmettymisalue johtaa lisääntyneeseen virtausvastukseen jähmeällä alueella, mikä tekee tehokkaasta syötöstä (kompensoiva sulavirta) haastavampaa. näin ollen metallurgisten huokosten tilavuusosuus näissä seoksissa voi olla 1–2 %. Sitä vastoin Al-Si-sarjan metalliseokset-johtuen niiden eutektiseen koostumukseen liittyvästä kapeasta jähmettymisalueesta- mahdollistavat huokoisuustason tehokkaan hallinnan alle 0,1 %:iin. Kidetekstuurin muodostuminen liittyy läheisesti kerrokseen-kerroksen jähmettymiskäyttäytymisen vuoksi. kun käytetään 0 asteen yksisuuntaista skannausstrategiaa, a<001>rakenne kehittyy rakennussuuntaa pitkin, jolloin myötölujuuksien ero pitkittäis- (rakennussuunta) ja poikittaissuunnassa on 10–20 %. Sitä vastoin 67 asteen kiertoskannausstrategian ottaminen käyttöön voi vähentää tekstuurin intensiteettiä satunnaisen orientaation tasolle, mikä eliminoi olennaisesti mekaanisten ominaisuuksien anisotropian. Mitä tulee korkean lämpötilan-käyttöön, lisäaineilla valmistetuilla alumiiniseoksilla on ainutlaatuinen vahvistuspotentiaali ominaisuuden huononemiseen liittyvien erityishaasteiden ohella. Central South -yliopiston katsausartikkelissa luokitellaan lämmönkestävien-lisäaineilla valmistettujen alumiiniseosten korkeita lämpötiloja vahvistavat mekanismit kolmeen ydinreittiä. Ensinnäkin monikomponenttinen synergistinen vaikutus rakentaa monikerroksisen, lämpöstabiilin arkkitehtuurin sisällyttämällä siihen elementtejä, joiden diffuusionopeus vaihtelee. Esimerkiksi Al-Ce-Sc-Zr-seoksissa tiheä ja tasainen Al11Ce3 eutektinen faasi yhdistettynä rakeidensisäiseen L1₂-Al₃(Sc,Zr)-saostumaan luo kaksoislujuusvaikutuksen{{18}; tämä mahdollistaa lejeeringin 233 MPa:n vetolujuuden säilyttämisen 300 asteessa ja 142 MPa:n 400 asteessa ilman merkittävää rakeiden karkenemista edes pitkäaikaisen lämpöaltistuksen jälkeen 400 asteessa 96 tunnin ajan. Toiseksi metallien välinen lujittaminen perustuu sellaisten metallien välisten yhdisteiden valitsemiseen, joilla on alhaiset diffuusiokertoimet ja korkeat sulamispisteet jäykän runkorakenteen muodostamiseksi korkeissa lämpötiloissa. Al11Ce3-faasin karkenemisnopeusvakio 400 asteessa on vain 1,6 nm³/s-merkittävästi pienempi kuin Al2Cu-faasin perinteisissä Al{30}}Cu-seoksissa samassa lämpötilassa (noin 100 nm³/s); tämä ylivoimainen korkean lämpötilan{32}}vakaus mahdollistaa sen, että edellinen toimii jatkuvasti tehokkaana esteenä sijoiltaan siirtymiselle. Kolmanneksi atomimittakaavasäätö estää karkeistumista tuomalla erottuvia elementtejä vahvistusvaiheiden ja matriisin välisiin rajapintoihin. Tutkimukset ovat osoittaneet, että elementit, kuten Sc, Zr, Si ja Mn-, jotka erottuvat θ′-Al₂Cu/-Al-rajapinnassa-, voivat alentaa rajapintaenergiaa ja estää atomien diffuusiota, mikä laajentaa käyttölämpötila-aluetta perinteisestä {4 2xxxx0}0 rajasta asteen välillä 250 - 300 astetta. *Nature Communicationsissa*- julkaistu tutkimus, jota johti akateemikko Lu Jian Hongkongin kaupunginyliopistosta yhteistyössä useiden oppilaitosten kanssa-on ottanut merkittävän askeleen eteenpäin käyttämällä alumiiniseoksissa (Si, Fe, Mn ja Ni) löytyviä yleisiä epäpuhtauksia kehittämään lämmönkestävän Al-7.44Si-2.34Fe-1.79Mn-1.12Ni-seos, joka ei sisällä jalometalleja eikä harvinaisia maametallielementtejä. Nopeissa jähmettymisolosuhteissa tämä seos käy läpi ei--tasapainoisen segregaation ja upottaa lämmön-kestäviä monikomponenttisia metallien välisiä nanosaostumia-jopa 14 %:n -tilavuusosaan jähmettymiskennon rajoilla, jolloin muodostuu mikrorakenteinen lämpörakenne. Ilman jälkikäsittelyä, lejeeringin vetolujuus huoneenlämpötilassa on 582 MPa ja lujuus 263 MPa 300 asteessa ja 114 MPa 400 asteessa. Lisäksi tutkimus paljastaa -ensimmäistä kertaa alumiiniseoksissa-kiinteän -johdeamorfisoinnin ohjaaman karkaisumekanismin: korkeassa-lämpötilassa tapahtuvan muodonmuutoksen aikana osa metallien välisistä nanosaostumista käy läpi kiinteän olomuodon amorfisen muodonmuutoksen, joka lopulta muodostaa "nanoparamorfisen" (L12-järjestetty ′-(Ni,Fe)3Al-faasi)" nanobifaasinen rakenne, joka tarjoaa ylimääräisen energian hajauttamisreitin korkean lämpötilan halkeamien leviämiseen.
