01 A korszak kihívásai - Alacsony sűrűségüknek, nagy fajlagos szilárdságuknak és kiváló korrózióállóságuknak köszönhetően az alumíniumötvözetek nélkülözhetetlen szerkezeti anyagokká váltak a repülőgépiparban, az autóiparban és az energetikai berendezések szektorában. Mivel azonban a modern ipar összetett geometriák és nagy teljesítményű, könnyűsúlyú alkatrészek iránti kereslet megnövekszik, a hagyományos öntési és megmunkálási módszerek alapvető korlátokkal szembesülnek a bonyolult belső csatornákkal, rácsszerkezetekkel és vékonyfalú{4}}elemekkel rendelkező alkatrészek gyártásában. Az additív gyártási technológiák, -különösen a lézerporágyas fúzió (LPBF) és a lézerirányított energialerakódás (LDED)-forradalmi utakat kínálnak a gyártási szűk keresztmetszetek leküzdésére. Az LPBF technológia nagy-energiájú lézersugarat alkalmaz az előre{10}}lerakott porrétegek szelektív megolvasztására, és rétegenként 99,5%-ot meghaladó sűrűségű összetett alkatrészeket épít fel; a 10⁶ K/s nagyságrendű tipikus hűtési sebességgel túltelített szilárd oldatokat és ultrafinom{13}}szemcsés mikrostruktúrákat tud előállítani, amelyek távol állnak az egyensúlyi megszilárdulási állapotoktól. Eközben a szinkron poradagolást és lézeres olvasztást alkalmazó LDED technológia egyedülálló előnyöket mutat a sérült alkatrészek javításában, valamint a nagyméretű szerkezeti elemek, valamint az összetétel szerint osztályozott anyagok gyártásában. Mindazonáltal az alumíniumötvözetek számos fizikai -kohászati kihívással szembesülnek a lézeradalékos gyártás során. Szobahőmérsékleten az alumíniumötvözetek fényvisszaverő képessége meghaladja a 90%-ot a közeli infravörös lézereknél (hullámhossz: 1070 nm), ami rendkívül alacsony energiacsatolási hatékonyságot eredményez, és nagy -teljesítményű-sűrűségű lézerekre van szükség a stabil olvadékmedence létrehozásához. Az alumíniumötvözet felületek könnyen sűrű oxidfilmet (Al2O3) képeznek, amelynek olvadáspontja 2072°, -szignifikánsan magasabb, mint az alumíniummátrix 660°-os olvadáspontja; ennek az oxidfilmnek a töredékei gyakran nem olvadnak meg teljesen az olvadékmedencén belül, ami gyakran a repedések és a fúziós hibák{28}}hiányának kiindulási helyeként szolgál. Még ennél is kritikusabb, hogy a hidrogén oldhatósága folyékony alumíniumban (kb. . 0.7 cm³/100g) sokkal nagyobb, mint a szilárd alumíniumban (kb a gyors megszilárdulás során a túltelített hidrogénatomok nem tudnak időben kidiffundálni, hanem a szilárd-folyadék határfelületén felhalmozódnak buborékmagokat képezve, végül néhány és több tíz mikrométer átmérőjű metallurgiai pórusokat hagyva maguk után a megszilárdult mikrostruktúrán belül. Eközben az alumíniumötvözetek széles megszilárdulási hőmérsékleti tartománya (pl. 150 fok feletti az Al7075 esetében) és jelentős szilárdulási zsugorodása (körülbelül 6%) rendkívül érzékenysé teszi őket a megszilárdulási zsugorodási porozitásra és a melegrepedésre, amint a betápláló csatornák az olvadékmedence megszilárdulásának végső szakaszában bezáródnak; ezek a problémák jelentik az alapvető kihívásokat a nagy szilárdságú 2xxx és 7xxx sorozatú alumíniumötvözetek LPBF-feldolgozása során. A lézeres adalékanyag-gyártásban rejlő extrém hőciklus-jellemzők-beleértve a 2000 fokot meghaladó lokális olvadékmedence-hőmérsékletet, valamint a szobahőmérséklettől 200 fokig terjedő környező por- és szubsztrátum-hőmérsékleteket, amelyek akár 10⁶ K/m{50}}hőmérséklet-gradienseket is eredményeznek, az összetett komponensen belül termikus feszültségmezőket hoznak létre; ha nem kontrollálják, ezek a feszültségek vetemedéshez, deformációhoz vagy akár rétegközi repedéshez vezethetnek.
02 Összetétel tervezés - Az összetételtervezés szintjén a hagyományosan öntéshez és kovácsoláshoz használt ötvözetrendszerek gyakran alkalmatlanok az additív gyártásra. Példaként az AlSi10Mg ötvözetet vesszük, közel-eutektikus összetétele kiváló folyékonyságot biztosít az öntés során; az LPBF gyors megszilárdulási körülményei között azonban a durva eutektikus szilíciumfázisú hálózat a feszültségkoncentráció forrásaként működik. Ezenkívül az ötvözet szakítószilárdsága 300 fokban a szobahőmérsékleti szilárdságának-körülbelül 10%-ára csökken, ez a jelenség az eutektikus mikrostruktúra magas hőmérsékleten történő gyors durvulása és feloldódása. Következésképpen az adalékanyag-gyártás jellemzőihez igazodó speciális alumíniumötvözet-összetételi rendszerek kifejlesztése kulcsfontosságú kutatási területté vált ezen a területen.
A Kínai Tudományos Akadémia, Chongqing Institute of Green and Intelliggent Technology kutatása feltárja, hogy nyomokban Sc-t (0,2–0,4 tömeg%) és Zr-t (0,1–0,3 tömeg%) adunk az Al-Mg ötvözetekhez, lehetővé téve a nanoméretű primer Al₃ (Sc, Zr₂) gyors szilárd szerkezetű, L1-es fázisok gyors fázisaiban történő *in situ* képződését. Porágyú fúzió (LPBF). Ezek a fázisok rendkívül alacsony rács-eltérést mutatnak (körülbelül 1,3%) az -Al-mátrixszal, és rendkívül hatékony heterogén gócképző helyekként szolgálnak, és finomítják a szemcseméreteket több tíz mikrométertől a szub-mikrométeres skáláig. A tanulmány azt mutatja, hogy a felépített Al-Mg-Mn-Sc-Zr ötvözet jellegzetes bimodális szemcseszerkezettel rendelkezik: finom, egyenlő tengelyű szemcsékből álló régió (átlagos méret ~1,04 μm) az olvadékterület széleinél (1.1-es, szemcseméret2). μm) növekszik az építési irány mentén az olvadékmedence közepén. Ez a heterogén szemcseszerkezet az olvadékmedencén belüli hőmérsékleti gradiensek és gócképződési sűrűségek térbeli változásaiból adódik; a széleken magas hőmérsékleti gradiensek és primer Al3(Sc,Zr) fázisok dúsítása található, amelyek elősegítik a heterogén nukleációt, míg a középpontot erősen irányított hőmérsékleti gradiens jellemzi, amely a maximális hőelvezetés irányában elősegíti az epitaxiális kristálynövekedést. Nevezetesen, míg az Sc drága (kb. 3000 USD/kg), a Zr viszonylag olcsó (kb. 30 USD/kg); ezen elemek együttes hozzáadása Al₃Sc-mag/Al₃Zr-héjszerkezetet hoz létre, amely nemcsak jelentősen javítja az erősítő fázisok hőstabilitását, hanem hatékonyan csökkenti az ötvözet költségeit is. Eközben a Shanghai Jiao Tong Egyetem csapata egy innovatív tervezési stratégiát javasolt, amely egy deformálható-transzformálható eutektikus nanovázon alapul. Modellötvözetként egy közel -eutektikus Al-Er rendszert (12,7 tömeg% Er) választottak, felhasználva az L1₂-strukturált Al₃Er fázis- képződését, amely csak 3,96}%-os rácsos eltérést mutat a nagy mennyiségű Al és a magas {{3} Al bundant rendszerrel együtt. képesség. Az LPBF nyomtatási folyamat során az Al₃Er körülbelül 10,3%-os térfogathányaddal válik ki, folyamatos 3D nano{41}}váz formájában; ez a váz nem csak ellenáll az 1300 MPa-t meghaladó feszültségeknek, hanem elősegíti a plasztikus alkalmazkodást is a deformáció során az alakváltozási ikerek és a 9R hosszú-periódusú, egymásra rakott rendezett szerkezetek kialakítása révén, alapvetően megdöntve azt a hagyományos nézetet, miszerint az eutektikus vázak eredendően törékenyek. Az as-printed Al-Er-Mg ötvözet (RAE700) folyáshatára 632 MPa, ami közvetlen öregítés után 707 MPa-ra nő, miközben a 7–10%-os nyúlást megtartja, ami átfogó teljesítményprofilt eredményez, amely felülmúlja az összes korábban bejelentett alumíniumot1.3D. Ezen túlmenően a Nagoya Egyetem kutatócsoportja kifejlesztett egy Al-Fe-Mn-Ti ötvözetsorozatot, amely az "elemparticionálási vezérlés" stratégiáján alapul; Cu és Mn hozzáadásával az Al₆Fe-fázis stabilizálása és előnyös erősítő fázissá alakítása,{60}}egyidejűleg bevezetve Titánt a szilárd fázisba, hogy körülbelül 2,3 μm-re finomítsa a szemcséket-az ötvözet szobahőmérsékletű, tulajdonságai gyakorlatilag változatlanok maradnak 100 órás 300 fokos hőkezelés után.
