01 Kortárs kihívások: Alacsony sűrűségük, nagy fajlagos szilárdságuk és kiváló korrózióállóságuk miatt az alumíniumötvözetek nélkülözhetetlen szerkezeti anyagokká váltak az űrrepülés, az autóipar és az energetikai berendezések szektorában. Azonban a modern iparban az összetett geometriák és a nagy teljesítményű könnyű alkatrészek iránti kereslet miatt a hagyományos öntési és megmunkálási módszerek alapvető korlátokkal szembesülnek a bonyolult belső csatornákkal, rácsszerkezetekkel és vékony{3}}falú jellemzőkkel rendelkező alkatrészek gyártása során. Az additív gyártástechnológiák, -különösen a lézerporágyas fúzió (LPBF) és a lézerirányított energialerakódás (LDED)-forradalmi utakat kínálnak a gyártási szűk keresztmetszetek leküzdésére. Az LPBF technológia 99,5%-ot meghaladó sűrűségű összetett komponenseket állít elő az előre-lerakott porrétegek szelektív megolvasztásával, nagy-energiájú lézersugár segítségével, rétegről rétegre építve a szerkezetet. A 10⁶ K/s nagyságrendű tipikus hűtési sebességgel ez a folyamat túltelített szilárd oldatok és ultrafinom szemcsés mikrostruktúrák képződését teszi lehetővé, amelyek messze túlmutatnak az egyensúlyi megszilárdulási állapoton. Ezzel szemben az LDED technológia,{15}}amely a por egyidejű adagolását alkalmazza a lézeres olvasztással,-egyedülálló előnyöket mutat a sérült részek javításában, a nagy{17}}szerkezeti elemek gyártásában és a funkcionálisan osztályozott anyagok gyártásában. Mindazonáltal az alumíniumötvözetek számos eredendő fizikai{19}}kohászati kihívással szembesülnek a lézeradalékos gyártási folyamat során. Az alumíniumötvözetek több mint 90%-os visszaverőképességet mutatnak a közeli infravörös lézerekkel szemben (1070 nm hullámhosszúsággal) szobahőmérsékleten; ez rendkívül alacsony energiacsatolási hatékonyságot eredményez, ami nagy-teljesítményű-sűrűségű lézerek használatát teszi szükségessé a stabil olvadékmedence létrehozásához. Ezenkívül sűrű oxidfilm (Al2O3) képződik könnyen az alumíniumötvözetek felületén. Ennek az oxidfilmnek a 2072 fokos olvadáspontja -szignifikánsan magasabb, mint az alumíniummátrixé (660 fok)-, ennek az oxidfilmnek a töredékei gyakran nem tudnak teljesen megolvadni az olvadékmedencében, gyakran repedések gócpontjaként és hiányos-fúziós hibák{33}} forrásaként szolgálnak. A legkritikusabb, hogy a hidrogén oldhatósága folyékony alumíniumban (körülbelül 0,7 cm³/100 g) jóval magasabb, mint a szilárd alumíniumban (körülbelül 0,04 cm³/100 g). A gyors megszilárdulási folyamat során a túltelített hidrogénatomoknak nincs elegendő ideje a kidiffundáláshoz; ehelyett a szilárd{40}}folyadék határfelületén halmozódnak fel, és gázbuborék-magokat képeznek, végül néhány mikrontól több tíz mikronig terjedő átmérőjű metallurgiai pórusokat hagynak maguk után a megszilárdult mikrostruktúrán belül. Mindeközben az alumíniumötvözetek széles szilárdulási hőmérséklet-tartománya (pl. az Al7075 esetében 150 fokot meghaladó) és jelentős szilárdulási zsugorodásuk (körülbelül 6%) rendkívül érzékenyek a megszilárdulási porozitásra és a forró repedésekre, amint az olvadékmedence végében lévő betápláló csatornák bezáródnak. Ez jelenti a nagy -szilárdságú 2xxx és 7xxx sorozatú alumíniumötvözetek fő kihívását az LPBF folyamat során. Ezenkívül a lézeres adalékanyag-gyártás extrém hőciklusa, amelyben a lokális olvadékmedence hőmérséklete meghaladja a 2000 fokot, miközben a környező por és a szubsztrát szobahőmérséklet és 200 fok között marad, ami akár 10⁶ K/m{56}}hőmérsékleti gradienst is eredményez, összetett termikus feszültségmezőt hoz létre a gyártott alkatrészeken belül; ha nem kontrollálják, ez vetemedéshez, deformációhoz, sőt a rétegek közötti{57}}repedéshez vezethet.
02 Összetétel tervezés: Az összetételtervezés szintjén az öntésben és kovácsolásban hagyományosan alkalmazott alumíniumötvözet-rendszerek gyakran alkalmatlanok adalékos gyártásra. Példaként az AlSi10Mg ötvözetet vesszük: míg közel -eutektikus összetétele kiváló folyékonyságot biztosít az öntés során, az LPBF gyors megszilárdulási körülményei között az eutektikus szilícium fázisok durva hálózata paradox módon a feszültségkoncentráció forrásává válik. Ezenkívül az ötvözet szakítószilárdsága 300 fokban a szobahőmérsékleti szilárdságának-körülbelül 10%-ára csökken, ez a jelenség az eutektikus mikrostruktúra magas hőmérsékleten történő gyors eldurvulásának és feloldódásának tulajdonítható. Következésképpen az adalékanyag-gyártás egyedi jellemzőire szabott speciális alumíniumötvözet-rendszerek fejlesztése kulcsfontosságú kutatási ponttá vált ezen a területen.
A Kínai Tudományos Akadémia Chongqing Zöld és Intelligens Technológiai Intézete által végzett kutatás kimutatta, hogy ha nyomnyi mennyiségű Sc-t (0,2–0,4 tömeg%) és Zr-t (0,1–0,3 tömeg%) adunk az Al-Mg-alapú ötvözetekhez, nanoméretű Al₃ (Sc, Zr‐6}) elsődleges fázisú L₃ (Sc, Zr₂₃) keletkezik. szerkezet-képződhet *in situ* a Laser Powder Bed Fusion (LPBF) gyors megszilárdulási folyamata során. Ez a fázis rendkívül alacsony rács-eltérést mutat (körülbelül 1,3%) az -Al-mátrixszal, ezáltal rendkívül hatékony heterogén gócképző helyként szolgál, amely több tíz mikrométerről a{12}}mikrométer alatti szintre finomítja a szemcseméretet. A tanulmány megjegyzi továbbá, hogy az SLM-al-Mg-Mn-Sc-Zr ötvözet jellegzetes bimodális szemcseszerkezettel rendelkezik: az olvadékmedence szélein egy finom, egyenlő tengelyű szemcsezóna található, míg a medence átlagos szemcsemérete körülbelül 1 μm a 0 μm. oszlopos szemcsezóna-az építési irány mentén növekvő-, körülbelül 2,11 μm átlagos szemcsemérettel. Ez a heterogén szemcseszerkezet az olvadékmedencén belüli hőmérsékleti gradiensek és gócképződési sűrűségek térbeli változásaiból ered; konkrétan az olvadékmedence széleit meredek hőmérsékleti gradiensek és az Al3(Sc,Zr) primer fázisok feldúsulása jellemzi, ami elősegíti a heterogén gócképződést, míg az olvadékmedence központja erősen irányított hőmérsékleti gradienst mutat, amely elősegíti a kristályok epitaxiális növekedését a maximális hőelvezetés irányában. Nevezetesen, míg az Sc költséges elem (ára körülbelül 3000 USD/kg), a Zr viszonylag olcsó (körülbelül 30 USD/kg); e két elem együttes hozzáadásával egy Al₃Sc magból és egy Al₃Zr héjból álló mag-héjszerkezet- jön létre,-amely nemcsak jelentősen javítja az erősítő fázisok hőstabilitását, hanem hatékonyan csökkenti az ötvözet összköltségét is. Eközben a Shanghai Jiao Tong Egyetem csapata egy alternatív innovatív tervezési stratégiát javasolt, amelynek középpontjában egy „deformálható-transzformálható eutektikus nanováz áll”. A közel -eutektikus Al-Er rendszert (12,7 tömeg% Er) választva modellötvözetként, a csapat kihasználta az Er azon képességét, hogy Al₃Er fázist alkosson L1₂ szerkezettel az Al-mal együtt; ebben a fázisban az -Al-mátrixhoz képest csak 3,96%-os rács-eltérés mutatkozik, és a csúszórendszerek bősége és a nagy ikerintézményi kapacitás jellemzi. Az LPBF nyomtatási folyamat során az Al₃Er folyamatos, háromdimenziós nanoméretű váz formájában válik ki, amely körülbelül 10,3 térfogat%-ot tesz ki. Ez a váz nemcsak 1300 MPa-t meghaladó feszültségek elviselésére képes, hanem a deformáció során a plasztikus alkalmazkodást is elősegíti deformációs ikrek és 9R hosszú, -periódusú halmozott-rendezett szerkezetek-képződése révén, és ezzel alapvetően megdönti azt a hagyományos elképzelést, hogy a csontvázak eutektikusan ridegek. Az as-printed Al-Er-Mg ötvözet (RAE700) folyáshatára 632 MPa, ami a közvetlen öregítési kezelést követően tovább növekszik 707 MPa-ra, miközben 7–10%-os nyúlást tart fenn; ezek az átfogó tulajdonságok felülmúlják az összes korábban bejelentett 3D{59}}nyomtatott alumíniumötvözet tulajdonságait. Ezenkívül a Nagoya Egyetem kutatócsoportja kifejlesztett egy sor Al-Fe-Mn-Ti-ötvözetet az "elemi particionálás szabályozása" stratégián alapulva. Cu és Mn hozzáadásával sikeresen stabilizálták az Al₆Fe fázist, -előnyös erősítő fázissá alakítva,- és egyúttal Ti-t juttattak be a szilárd fázisba, hogy szemcsefinomulást idézzenek elő (körülbelül 2,3 μm-re). Következésképpen az ötvözet szobahőmérsékleten 390 MPa szakítószilárdságot és 14–17%-os rugalmasságot ér el; jelentős mértékben, mechanikai tulajdonságai gyakorlatilag változatlanok maradnak még 100 órás 300 fokos hőkezelés után is.
03 Folyamatszabályozás: A folyamatparaméterek és az olvadékmedence dinamikája közötti kvantitatív kapcsolat kulcsfontosságú az alumíniumötvözetek lézeres adalékos gyártása során a mikrostruktúra kialakulását szabályozó mechanizmusok tisztázásában. Az olvadékmedencén belüli folyadékdinamikai viselkedést együttesen a Marangoni konvekció, a visszarúgási nyomás, a felhajtóerő és a hőkapilláris erők határozzák meg. Ezek közül a Marangoni nyíróerők -amelyek az olvadékmedence felületén átívelő hőmérsékleti gradiensek által kiváltott felületi feszültség gradiensekből- adják a domináns erőt, amely az olvadt fém áramlását a medence közepétől a perifériája felé hajtja. Ezzel szemben a fémgőznek a kulcslyukon belüli erőteljes kilökődése által generált visszarúgási nyomás-nyomóerőt fejt ki, amely az olvadt fémet a kulcslyuk alja és oldalfala felé nyomja. A tanulmányok azt mutatják, hogy a volumetrikus energiasűrűség (VED) a kritikus mérőszám az olvadékmedence üzemmód-átmenetek meghatározásához: amikor a VED meghaladja a körülbelül 60 J/mm³ értéket, a párolgási visszarúgási nyomás elegendő lesz ahhoz, hogy az olvadékmedencén belül 1-nél nagyobb oldalarányú kulcslyukat hozzon létre, ezáltal beindul a "kulcslyuk mód"; fordítva, a folyamat "vezetési módban" működik. Bár a kulcslyuk mód elősegíti a nagy anyagsűrűség elérését, a kulcslyuk instabil oszcillációja-konkrétan, elülső falának időszakos összeomlása-a kulcslyuk porozitás (a pórusok jellemzően 50-200 μm átmérőjű) kialakulásának elsődleges mechanizmusa. Ezeket a pórusokat nagy méretük és szabálytalan morfológiájuk jellemzi, amelyek lényegesen nagyobb mértékben rontják a fáradási teljesítményt, mint a finom{17}}kohászati pórusok. A Northwestern Polytechnical University-n végzett kutatás kimutatta, hogy nyomokban (0,15 tömeg%) Al-Nb-B szemcsefinomító AlSi10Mg ötvözethez való hozzáadása jelentősen módosíthatja az oszlopos-a-egyensúlyú átmenetet (CET). Heterogén gócképző helyként működve a kapott NbB2 és Al3Nb részecskék az egyenlő tengelyű szemcsék térfogatrészét 20%-nál kevesebbről 80% fölé emelik; ezzel egyidejűleg ez a beavatkozás csökkenti a képlékeny anizotrópia arányt (amelyet a hosszirányú és keresztirányú nyúlás arányaként határoznak meg) 3,5-ről 1,2-re, ezáltal elérve a majdnem teljes izotrópia állapotát. A porozitási hibák evolúciós jellemzői határozott eltéréseket mutatnak a különböző alumíniumötvözet-rendszerekben: az Al-Cu sorozatú ötvözetek esetében a széles szilárdulási tartomány megnövekedett áramlási ellenállást eredményez a kásás zónában, ami nagyobb kihívást jelent a hatékony betáplálás (kompenzáló ömledékáramlás) számára; következésképpen ezekben az ötvözetekben a kohászati pórusok térfogatrésze elérheti az 1-2%-ot. Ezzel szemben az Al-Si sorozatú ötvözetek-az eutektikus összetételükhöz kapcsolódó szűk megszilárdulási tartománynak köszönhetően-lehetővé teszik a porozitási szintek hatékony szabályozását 0,1% alá. A kristályszerkezet kialakulása szorosan kapcsolódik a réteghez-a réteg megszilárdulási viselkedése révén; ha 0 fokos egyirányú letapogatási stratégiát alkalmazunk, a<001>a textúra az építési irány mentén alakul ki, ami 10-20%-os eltérést eredményez a hosszirányú (építési irány) és a keresztirányú folyáshatárok között. Ezzel szemben a 67 fokos elforgatású szkennelési stratégia alkalmazása a textúra intenzitását egy véletlenszerű orientáció szintjére csökkentheti, ezáltal lényegében kiküszöböli a mechanikai tulajdonságok anizotrópiáját. Ami a magas hőmérsékletű{5}}szolgáltatási teljesítményt illeti, az adalékanyaggal gyártott alumíniumötvözetek egyedülálló erősítési potenciállal rendelkeznek, a tulajdonságok romlásával kapcsolatos kihívások mellett. A Central South University egyik áttekintő cikke a hőálló, adalékanyaggal előállított alumíniumötvözetek magas hőmérsékleten-megerősítő mechanizmusait három fő útvonalba sorolja. Először is, a több-komponensű szinergikus hatás egy több-rétegű, hőstabil architektúrát hoz létre azáltal, hogy különböző diffúziós sebességű elemeket épít be. Például az Al-Ce-Sc-Zr ötvözetekben a sűrű és egyenletes Al1₁Ce3 eutektikus fázis a szemcsén belüli L1₂-Al₃(Sc,Zr) kiválással kombinálva kettős szilárdságú-hatást hoz létre; Ez lehetővé teszi, hogy az ötvözet megtartsa a 233 MPa szakítószilárdságát 300 fokon és 142 MPa-os szakítószilárdságát 400 fokon, anélkül, hogy jelentős szemcsedurvulás figyelhető meg még hosszan tartó, 400 fokon 96 órán át tartó hőhatás után sem. Másodszor, az intermetallikus erősítés az alacsony diffúziós együtthatójú és magas olvadáspontú intermetallikus vegyületek kiválasztásán alapul, hogy merev vázszerkezetet alakítsanak ki magas hőmérsékleten. Az Al11Ce3-fázis durvulási sebességi állandója 400 fokon mindössze 1,6 nm3/s{29}}szignifikánsan alacsonyabb, mint a hagyományos Al{30}}Cu-ötvözetek Al2Cu-fázisának ugyanazon a hőmérsékleten (körülbelül 100 nm³/s); ez a kiváló magas hőmérsékleti stabilitás lehetővé teszi, hogy az előbbi folyamatosan hatékonyan gátolja a diszlokációs mozgást. Harmadszor, az atomi{34}skálaszabályozás gátolja a durvulást azáltal, hogy elválasztó elemeket vezet be az erősítő fázisok és a mátrix közötti határfelületeken. Tanulmányok kimutatták, hogy az olyan elemek, mint az Sc, Zr, Si és Mn-amelyek a θ′-Al₂Cu/-Al interfészen szétválnak-, csökkenthetik a határfelületi energiát és gátolhatják az atomok diffúzióját, ezáltal kiterjesztve az üzemi hőmérsékleti tartományt a hagyományos {4x1}2}0 határértékről{4x1}2}0. fok 250 és 300 fok közé. A *Nature Communications*-ban*-Lu Jian, a Hongkongi City Egyetem akadémikusa által vezetett, több intézménnyel együttműködve végzett tanulmány-jelentős előrelépést tett az alumíniumötvözetek (Si, Fe, Mn és Ni) általános szennyező elemeinek felhasználásával egy hőálló-termék kifejlesztésére. Al-7,44Si-2,34Fe-1,79Mn-1,12Ni-ötvözet, amely nem tartalmaz sem nemesfémeket, sem ritkaföldfémeket. Gyors megszilárdulási körülmények között ez az ötvözet nem-egyensúlyi szegregáción megy keresztül, hőálló, több-komponensű intermetallikus nanoprecipitátumok-beágyazásával, amelyek akár 14%{70}}térfogatot is elfoglalnak a megszilárdító cella határain, ezáltal mikroszerkezetű hőszerkezetű cellát képeznek. Az ötvözet szobahőmérsékletű szakítószilárdsága 582 MPa, 263 MPa és 114 MPa 300 fokon, illetve 400 fokon 114 MPa utófeldolgozás nélkül. Ezenkívül a tanulmány -először tár fel alumíniumötvözetekben- egy szilárdtest-amorfizáció által vezérelt keményítő mechanizmust: a magas-hőmérsékletű deformáció során az intermetallikus nanoprecipitátumok egy része szilárd fázisú amorf átalakuláson megy keresztül, ami végső soron nanoparamorf átalakul. (L12-rendű ′-(Ni,Fe)₃Al fázis)" nanobifázisú szerkezet, amely további energiaelvezetési útvonalat biztosít a magas hőmérsékletű repedések terjedéséhez.
