01 Nutidige udfordringer: På grund af deres lave tæthed, høje specifikke styrke og fremragende korrosionsbestandighed er aluminiumslegeringer blevet uundværlige strukturelle materialer i luftfarts-, bil- og energiudstyrssektoren. Men med den stigende efterspørgsel i moderne industri efter komplekse geometrier og højtydende letvægtskomponenter, står traditionelle støbe- og bearbejdningsmetoder over for fundamentale begrænsninger, når de fremstiller 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-teknologi konstruerer komplekse komponenter med densiteter, der overstiger 99,5 %, ved selektivt at smelte præ-aflejrede pulverlag ved hjælp af en{10} højenergilaserstråle og bygge strukturen lag for lag. Med typiske afkølingshastigheder, der når størrelsesordenen 10⁶ K/s, muliggør denne proces dannelsen af overmættede faste opløsninger og ultrafine-kornede mikrostrukturer, der ligger langt ud over ligevægtsstørkningstilstanden. Omvendt demonstrerer LDED-teknologi-som anvender samtidig tilførsel af pulver sammen med lasersmeltning-entydige fordele ved reparation af beskadigede dele, fremstilling af{17}}store strukturelle komponenter og produktion af funktionelt sorterede materialer. Ikke desto mindre støder aluminiumslegeringer på en række iboende fysiske-metallurgiske udfordringer under fremstillingsprocessen for laseradditiv. Aluminiumslegeringer udviser en reflektionsevne på over 90 % over for nær-infrarøde lasere (med en bølgelængde på 1070 nm) ved stuetemperatur; dette resulterer i ekstremt lav energikoblingseffektivitet, hvilket nødvendiggør brugen af-effektlasere- for at etablere en stabil smeltepool. Endvidere dannes en tæt oxidfilm (Al2O3) let på overfladen af aluminiumlegeringer. Med et smeltepunkt på 2072 grader -betydeligt højere end smeltepunktet for aluminiumsmatrixen (660 grader)- smelter fragmenter af denne oxidfilm ofte ikke fuldstændigt i smeltepuljen, hvilket ofte tjener som kernedannelsessteder for revner og kilder til manglende-fusionsdefekter.{{33} Mest 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 den hurtige størkningsproces mangler overmættede brintatomer tilstrækkelig tid til at diffundere ud; i stedet akkumuleres de ved den faste-væskegrænseflade for at danne gasboblekerner, hvilket i sidste ende efterlader metallurgiske porer, der spænder fra et par mikrometer til titusinder af mikrometer i diameter i den størknede mikrostruktur. I mellemtiden gør det brede størkningstemperaturområde for aluminiumlegeringer (f.eks. over 150 grader for Al7075) og deres betydelige størkningssvind (ca. 6%) dem meget modtagelige for størkningsporøsitet og varmerevner, når fødekanalerne ved smeltebassinets hale lukker af. Dette udgør den kerneudfordring, som højstyrke 2xxx- og 7xxx-seriens aluminiumslegeringer står over for under LPBF-processen. Ydermere genererer den ekstreme termiske cyklingskarakteristik ved fremstilling af laseradditiv,-hvor lokaliserede smeltebassintemperaturer overstiger 2000 grader, mens det omgivende pulver og substrat forbliver mellem stuetemperatur og 200 grader, hvilket resulterer i temperaturgradienter så høje som 10⁶ K/m-, et komplekst stofspændingsfelt; hvis det efterlades ukontrolleret, kan dette føre til vridning, deformation og endda mellem{57}}revner.
02 Kompositionsdesign: På niveau med kompositionsdesign er de aluminiumlegeringssystemer, der traditionelt anvendes i støbning og smedning, ofte uegnede til additiv fremstilling. Tager man AlSi10Mg-legeringen som et eksempel: Mens dens næsten-eutektiske sammensætning giver den fremragende flydende evne under støbning, under de hurtige størkningsbetingelser for LPBF, bliver det grove netværk af eutektiske siliciumfaser paradoksalt nok en kilde til stresskoncentration. Desuden styrtdykker legeringens trækstyrke ved 300 grader til cirka 10 % af dens rum--temperaturstyrke-, et fænomen, der tilskrives den hurtige forgrovning og opløsning af den eutektiske mikrostruktur ved forhøjede temperaturer. Som følge heraf er udviklingen af specialiserede aluminiumlegeringssystemer skræddersyet til de unikke egenskaber ved additiv fremstilling opstået som et centralt forskningshotspot på dette område.
Forskning udført af Chongqing Institute of Green and Intelligent Technology, Chinese Academy of Sciences, afslører, at ved at tilføje spormængder af Sc (0,2-0,4 vægt-%) og Zr (0,1-0,3 vægt-%) til Al-Mg-baserede legeringer, opnås nanoskala Al₃(Sc,Zr)-bestilt L₃(Sc,Zr) i primær fase i orden struktur-kan dannes *in situ* under den hurtige størkningsproces af Laser Powder Bed Fusion (LPBF). Denne fase udviser et ekstremt lavt gittermismatch (ca. 1,3 %) med -Al-matrixen og fungerer derved som et yderst effektivt heterogent kernedannelsessted, der forfiner kornstørrelsen fra titusinder af mikrometer ned til sub-mikrometerniveauet. Undersøgelsen bemærker endvidere, at den SLM-fremstillede Al-Mg-Mn-Sc-Zr-legering præsenterer en karakteristisk bimodal kornstruktur: kanterne af smeltebassinet har en fin ligeakset kornzone med en gennemsnitlig kornstørrelse på ca. 1 m. søjleformet kornzone-vokser langs byggeretningen-med en gennemsnitlig kornstørrelse på ca. 2,11 μm. Denne heterogene kornstruktur stammer fra rumlige variationer i temperaturgradienter og nukleationstætheder i smeltepuljen; specifikt er smeltebassinets kanter karakteriseret ved stejle temperaturgradienter og en berigelse af Al3(Sc,Zr) primære faser, hvilket fremmer heterogen kernedannelse, hvorimod smeltebassincentret udviser en meget retningsbestemt temperaturgradient, der letter den epitaksielle vækst af krystaller langs retningen af maksimal varmeafledning. Det er bemærkelsesværdigt, at mens Sc er et dyrt element (prissat til ca. $3.000/kg), er Zr relativt billigt (ca. $30/kg); den kombinerede tilføjelse af disse to elementer skaber en kerne-skalstruktur-bestående af en Al₃Sc-kerne og en Al₃Zr-skal-som ikke kun væsentligt forbedrer den termiske stabilitet af forstærkningsfaserne, men også effektivt reducerer legeringens samlede omkostninger. I mellemtiden har et team fra Shanghai Jiao Tong University foreslået en alternativ innovativ designstrategi centreret om et "deformerbart-transformerbart eutektisk nanostillads." Ved at vælge det nær-eutektiske Al-Er-system (12,7 vægt% Er) som deres modellegering, udnyttede teamet Ers evne til at danne en Al₃Er-fase med en L1₂-struktur sammen med Al; denne fase udviser et gittermismatch på kun 3,96 % i forhold til -Al-matrixen og er karakteriseret ved en overflod af slipsystemer og en høj kapacitet til twinning. Under LPBF-udskrivningsprocessen udfældes Al₃Er i form af et kontinuerligt, tre-dimensionelt nanoskalaskelet, der udgør ca. 10,3 vol%. Dette skelet er ikke kun i stand til at modstå høje spændinger, der overstiger 1300 MPa, men letter også plastisk akkommodation under deformation gennem dannelsen af deformationstvillinger og 9R lang-periode stabling-ordnede strukturer-og dermed fundamentalt vælter den traditionelle forestilling om, at eutektiske skeletter er inttletiske brinter. Den som-trykte Al-Er-Mg-legering (RAE700) udviser en flydespænding på 632 MPa, som øges yderligere til 707 MPa efter direkte ældningsbehandling, mens den samtidig opretholder en forlængelse på 7-10 %; disse omfattende egenskaber overgår alle tidligere rapporterede 3D-printede aluminiumslegeringer. Ydermere har et forskerhold ved Nagoya University udviklet en række Al-Fe-Mn-Ti-legeringer baseret på en "elemental partitioning control"-strategi. Ved at tilføje Cu og Mn stabiliserede de med succes Al₆Fe-fasen-og transformerede den til en gavnlig forstærkningsfase-og samtidig introducerede Ti, som opdeler til den faste fase for at inducere kornforfining (til ca. 2,3 μm). Som følge heraf opnår legeringen en rumtemperatur-trækstyrke på 390 MPa og en duktilitet på 14-17 %; væsentligt forbliver dens mekaniske egenskaber praktisk talt uændrede selv efter termisk eksponering ved 300 grader i 100 timer.
03 Proceskontrol: Det kvantitative forhold mellem procesparametre og smeltebassindynamik er nøglen til at belyse de mekanismer, der styrer mikrostrukturdannelse ved laseradditiv fremstilling af aluminiumslegeringer. Væskedynamiske adfærd i smeltebassinet drives kollektivt af Marangoni-konvektion, rekyltryk, opdrift og termokapillære kræfter. Blandt disse udgør Marangoni-forskydningskræfter-opstået fra overfladespændingsgradienter induceret af temperaturgradienter hen over smeltebassinets overflade-den dominerende kraft, der driver smeltet metalstrøm fra bassinets centrum mod dens periferi. Omvendt udøver rekyltryk-genereret af den kraftige udstødning af metaldamp i nøglehullet-en trykkraft, der skubber det smeltede metal mod bunden og sidevæggene af nøglehullet. Undersøgelser viser, at volumetrisk energitæthed (VED) tjener som den kritiske metrik til bestemmelse af overgange til smeltebassintilstand: når VED overstiger ca. 60 J/mm³, bliver det fordampende rekyltryk tilstrækkeligt til at generere et nøglehul i smeltebassinet med et aspektforhold større end 1, hvorved "nøglehulstilstanden" startes; omvendt fungerer processen i "ledningstilstanden". Selvom nøglehulstilstanden letter opnåelsen af høj materialetæthed, udgør den ustabile svingning af nøglehullet-specifikt, den periodiske kollaps af dets forvæg-den primære mekanisme til dannelsen af nøglehulsporøsitet (porer typisk 50-200 μm i diameter). Disse porer er kendetegnet ved deres store størrelse og uregelmæssige morfologi, hvilket påfører træthedsydelsen væsentligt større skade end metallurgiske porer i fin{17}}skala. Forskning udført ved Northwestern Polytechnical University har vist, at tilsætningen af en spormængde (0,15 vægt%) af en Al-Nb-B-kornraffiner til AlSi10Mg-legering kan modulere den søjleformede-til-ligeaksede overgang (CET). De resulterende NbB2- og Al3Nb-partikler fungerer som heterogene kernedannelsessteder og hæver volumenfraktionen af ligeaksede korn fra mindre end 20% til over 80%; samtidig reducerer dette indgreb det plastiske anisotropiforhold (defineret som forholdet mellem langsgående og tværgående forlængelse) fra 3,5 til 1,2, hvorved der opnås en tilstand af næsten fuldstændig isotropi. De evolutionære egenskaber ved porøsitetsdefekter udviser tydelige variationer på tværs af forskellige aluminiumslegeringssystemer: i Al-Cu-legeringer resulterer det brede størkningsområde i øget strømningsmodstand inden for den grødede zone, hvilket gør effektiv fodring (kompenserende smelteflow) mere udfordrende; følgelig kan volumenfraktionen af metallurgiske porer i disse legeringer nå op på 1-2%. I modsætning hertil tillader Al-Si-seriens legeringer-på grund af det snævre størkningsområde, der er forbundet med deres eutektiske sammensætning-, at porøsitetsniveauer effektivt kan kontrolleres til under 0,1 %. Dannelsen af krystaltekstur er tæt forbundet med lagets-ved-lags størkningsadfærd; når der anvendes en 0 graders ensrettet scanningsstrategi, a<001>tekstur udvikles langs byggeretningen, hvilket resulterer i en forskel på 10-20% mellem flydespændingerne i længderetningen (byggeretningen) og tværgående retning. Omvendt kan vedtagelse af en 67 graders rotationsscanningsstrategi reducere teksturintensiteten til et niveau af tilfældig orientering og derved i det væsentlige eliminere anisotropi i mekaniske egenskaber. Med hensyn til høje-temperaturserviceydelser udviser additivt fremstillede aluminiumslegeringer et unikt potentiale for styrkelse sideløbende med specifikke udfordringer med hensyn til egenskabsforringelse. En oversigtsartikel fra Central South University kategoriserer de høje-temperaturstyrkende mekanismer af varme-bestandige, additivt fremstillede aluminiumslegeringer i tre kerneveje. For det første konstruerer den multi-komponent synergistiske effekt en flerlags, termisk stabil arkitektur ved at inkorporere elementer med varierende diffusionshastigheder. For eksempel i Al-Ce-Sc-Zr-legeringer skaber den tætte og ensartede Al₁₁Ce₃ eutektiske fase, kombineret med intragranulær L1₂-Al₃(Sc,Zr)-udfældning, en dobbeltstyrke{18}styrke{18}} dette gør det muligt for legeringen at bibeholde en trækstyrke på 233 MPa ved 300 grader og 142 MPa ved 400 grader, uden at der observeres nogen væsentlig kornforstørrelse, selv efter langvarig termisk eksponering ved 400 grader i 96 timer. For det andet er intermetallisk forstærkning afhængig af at vælge intermetalliske forbindelser med lave diffusionskoefficienter og høje smeltepunkter for at danne en stiv skeletstruktur ved forhøjede temperaturer. Forgrovningshastighedskonstanten for Al₁₁Ce₃-fasen ved 400 grader er kun 1,6 nm³/s-signifikant lavere end for Al₂Cu-fasen i traditionelle Al-Cu-legeringer ved samme temperatur (ca. 100 nm³); denne overlegne høje-temperaturstabilitet gør det muligt for førstnævnte kontinuerligt at fungere som en effektiv barriere mod dislokationsbevægelse. For det tredje hæmmer regulering af atomare-skala forgrovning ved at introducere segregerende elementer ved grænsefladerne mellem forstærkende faser og matrixen. Undersøgelser har vist, at elementer som Sc, Zr, Si og Mn-der adskiller sig ved θ′-Al₂Cu/ -Al-grænsefladen-kan sænke grænsefladeenergien og hæmme atomdiffusion og derved udvide servicetemperaturområdet til alle 1soy}2xxx-graders grænser på 2x2x00. mellem 250 grader og 300 grader. En undersøgelse offentliggjort i *Nature Communications*-ledet af akademiker Lu Jian fra City University of Hong Kong i samarbejde med flere institutioner-har taget et væsentligt skridt fremad ved at bruge almindelige urenhedselementer, der findes i aluminiumlegeringer (Si, Fe, Mn og Ni) til at udvikle en varme-bestandig Al-7.44Si-2.34Fe-1.79Mn-1.12Ni-legering, der hverken indeholder ædelmetaller eller sjældne jordarters grundstoffer. Under hurtige størkningsforhold gennemgår denne legering ikke-ligevægtssegregering, indlejrer varme-resistente multi-intermetalliske nanopræcipitater-og optager en volumenfraktion på op til 14 %-ved de størkningscellegrænser, hvorved der dannes en mikrostruktur, der kan stabiliseres. Uden at kræve nogen efterbehandling-udviser legeringen en rumtemperatur-trækstyrke på 582 MPa med styrker på 263 MPa og 114 MPa ved henholdsvis 300 grader og 400 grader. Undersøgelsen afslører desuden-for første gang i aluminiumlegeringer-en hærdningsmekanisme drevet af fast-amorfisering: under høj-temperaturdeformation gennemgår en del af de intermetalliske nanopræcipitater en faststofform amorf transformation + i sidste ende en nanomorf form (L1₂-ordnet ′-(Ni,Fe)₃Al-fase)" nanobifasisk struktur, der giver en ekstra energiafledningsvej til højtemperatur-revneformering.
