01 Udfordringer fra æraen - På grund af deres lave tæthed, høje specifikke styrke og fremragende korrosionsbestandighed er aluminiumslegeringer blevet uundværlige strukturelle materialer i luftfarts-, bil- og energiudstyrssektoren. Men da moderne industris efterspørgsel efter komplekse geometrier og høj-ydelse, stigninger i letvægtskomponenter, traditionelle støbe- og bearbejdningsmetoder står over for fundamentale begrænsninger i fremstilling af dele med indviklede interne kanaler, gitterstrukturer og tynde-væggede funktioner. Additive produktionsteknologier-specifikt Laser Powder Bed Fusion (LPBF) og Laser Directed Energy Deposition (LDED)- tilbyder revolutionerende veje til at overvinde disse produktionsflaskehalse. LPBF-teknologien anvender en høj-laserstråle til selektivt at smelte præ{10}}aflejrede pulverlag og bygge komplekse komponenter med tætheder, der overstiger 99,5 % lag for lag; med typiske afkølingshastigheder, der når størrelsesordenen 10⁶ K/s, kan den producere overmættede faste opløsninger og ultrafine-kornede mikrostrukturer langt væk fra ligevægtsstørkningstilstande. I mellemtiden demonstrerer LDED-teknologi, der anvender synkron pulvertilførsel og lasersmeltning, unikke fordele ved reparation af beskadigede dele og fremstilling af strukturelle komponenter i stor skala såvel som materialer med sammensætning. Alligevel støder aluminiumslegeringer på en række iboende fysiske-metallurgiske udfordringer under fremstilling af laseradditiv. Ved stuetemperatur udviser aluminiumslegeringer en reflektivitet, der overstiger 90 % for nær-infrarøde lasere (bølgelængde: 1070 nm), hvilket resulterer i ekstremt lav energikoblingseffektivitet og nødvendiggør lasere med høj-effekt-tæthed for at etablere en stabil smeltepool. Aluminiumslegeringsoverflader danner let en tæt oxidfilm (Al₂O₃) med et smeltepunkt på 2072 grader -signifikant højere end 660 graders smeltepunkt for aluminiumsmatrixen; fragmenter af denne oxidfilm formår ofte ikke at smelte fuldstændigt i smeltebassinet, hvilket ofte tjener som initieringssteder for revner og mangel-på-fusionsdefekter. Endnu mere kritisk er opløseligheden af brint i flydende aluminium (ca. . 0.7 cm³/100g) langt højere end i fast aluminium (ca. . 0.04 cm³/100g); under hurtig størkning kan overmættede brintatomer ikke diffundere ud i tid og i stedet akkumuleres ved den faste-væskegrænseflade for at danne boblekerner, hvilket i sidste ende efterlader metallurgiske porer, der spænder fra nogle få til flere titusvis af mikrometer i diameter i den størknede mikrostruktur. I mellemtiden gør det brede størkningstemperaturområde (f.eks. over 150 grader for Al7075) og betydelig størkningssvind (ca. 6%) af aluminiumlegeringer, der gør dem meget modtagelige for størkningskrympningsporøsitet og varmerevner, når fødekanalerne lukkes under de sidste stadier af smeltebassinstørkningen; disse problemer repræsenterer kerneudfordringer i LPBF-behandlingen af højstyrke 2xxx- og 7xxx-seriens aluminiumslegeringer. De ekstreme termiske cykliske egenskaber, der er iboende til fremstilling af laseradditiv,-der involverer lokaliserede smeltebassintemperaturer på over 2000 grader sammen med omgivende pulver- og substrattemperaturer, der spænder fra stuetemperatur til 200 grader, hvilket resulterer i temperaturgradienter så høje som 10⁶ K/m} komponentspænding{50}. hvis de efterlades ukontrolleret, kan disse spændinger føre til vridning, deformation eller endda revner i mellemlaget.
02 Kompositionsdesign - På niveau med kompositionsdesign er legeringssystemer, der traditionelt anvendes til støbning og smedning, ofte uegnede til additiv fremstilling. Tager man AlSi10Mg-legeringen som et eksempel, bibringer dens næsten-eutektiske sammensætning fremragende flydeevne under støbning; under de hurtige størkningsbetingelser for LPBF virker det grove eutektiske siliciumfasenetværk imidlertid som en kilde til stresskoncentration. Desuden styrtdykker legeringens trækstyrke ved 300 grader til ca. 10 % af dens rum--temperaturstyrke-, et fænomen, der tilskrives den hurtige forgrovning og opløsning af den eutektiske mikrostruktur ved høje temperaturer. Derfor er udvikling af specialiserede aluminiumlegeringssammensætningssystemer skræddersyet til egenskaberne ved additiv fremstilling blevet et centralt forskningsfokus på området.
Forskning foretaget af Chongqing Institute of Green and Intelligent Technology, Chinese Academy of Sciences, afslører, at tilsætning af spormængder af Sc (0,2-0,4 vægt-%) og Zr (0,1-0,3 vægt-%) til Al-Mg-legeringer muliggør *in situ* dannelsen af primær Al₃(Sc,Zr) i nanoskala primær Al₃(Sc,Zr)-processen i fast form med en L1-fasestruktur med en L1-proces. Laser Powder Bed Fusion (LPBF). Disse faser udviser ekstremt lavt gittermismatch (ca. 1,3 %) med -Al-matrixen og fungerer som højeffektive heterogene nukleeringssteder, der raffinerer kornstørrelser fra titusinder af mikrometer ned til sub-mikrometerskalaen. Undersøgelsen viser, at den som-byggede Al-Mg-Mn-Sc-Zr-legering udviser en karakteristisk bimodal kornstruktur: et område med fine ligeaksede korn (gennemsnitlig størrelse ~1,04 μm) ved smelteområdet i søjle- og 1-kanter (ca. μm) vokser langs byggeretningen i smeltebassinets centrum. Denne heterogene kornstruktur opstår fra rumlige variationer i temperaturgradienter og nukleationstætheder i smeltepuljen; kanterne har høje temperaturgradienter og en berigelse af primære Al3(Sc,Zr) faser, som fremmer heterogen kernedannelse, hvorimod centret er kendetegnet ved en stærkt retningsbestemt temperaturgradient, der favoriserer epitaksial krystalvækst i retningen af maksimal varmeafledning. Det er bemærkelsesværdigt, at mens Sc er dyrt (ca. $3.000/kg), er Zr relativt billigt (ca. $30/kg); den kombinerede tilføjelse af disse elementer skaber en Al₃Sc-kerne/Al₃Zr-skalstruktur, der ikke kun væsentligt forbedrer den termiske stabilitet af forstærkningsfaserne, men som også effektivt reducerer legeringsomkostningerne. I mellemtiden har et team fra Shanghai Jiao Tong University foreslået en innovativ designstrategi baseret på et deformerbart-transformerbart eutektisk nanostillads. De valgte et næsten-eutektisk Al-Er-system (12,7 vægt% Er) som modellegering, idet de udnyttede dannelsen af den L1₂-strukturerede Al₃Er-fase-, som udviser en gittermismatch på kun 3,96% med {{37}-systemer sammen med en høj bundtæthed og slibning. Under LPBF-udskrivningsprocessen udfældes Al₃Er med en volumenfraktion på ca. 10,3 % i form af et kontinuerligt 3D nano-skelet; dette skelet modstår ikke kun høje belastninger, der overstiger 1300 MPa, men letter også plastisk akkommodation under deformation gennem dannelsen af deformationstvillinger og 9R lange-stablingsordnede strukturer, hvilket fundamentalt vælter den konventionelle opfattelse om, at eutektiske skeletter i sagens natur er sprøde. Den som-trykte Al-Er-Mg-legering (RAE700) udviser en flydespænding på 632 MPa, som øges til 707 MPa efter direkte ældning, samtidig med at den opretholder en forlængelse på 7-10 %, hvilket resulterer i en omfattende ydelsesprofil, der overgår al{5} tidligere rapporteret 5} legeringer. Derudover udviklede et forskerhold ved Nagoya University en Al-Fe-Mn-Ti legeringsserie baseret på en "elementopdelingskontrol"-strategi; ved at tilsætte Cu og Mn for at stabilisere Al₆Fe-fasen og omdanne den til en gavnlig forstærkningsfase-og samtidig indføre Ti, der skiller sig ind i den faste fase for at raffinere korn til ca. egenskaber forbliver stort set uændrede efter 100 timers termisk eksponering ved 300 grader.
