01 Erans utmaningar - På grund av sin låga densitet, höga specifika hållfasthet och utmärkta korrosionsbeständighet har aluminiumlegeringar blivit oumbärliga strukturmaterial inom flyg-, bil- och energiutrustningssektorerna. Men eftersom modern industris efterfrågan på komplexa geometrier och hög-prestanda, spänningar i lättviktskomponenter, möter traditionella gjutnings- och bearbetningsmetoder grundläggande begränsningar när det gäller tillverkning av delar med invecklade interna kanaler, gallerstrukturer och tunna-väggar. Additiv tillverkningsteknik-speciellt Laser Powder Bed Fusion (LPBF) och Laser Directed Energy Deposition (LDED)-erbjuder revolutionerande vägar för att övervinna dessa tillverkningsflaskhalsar. LPBF-tekniken använder en hög-laserstråle för att selektivt smälta för{10}}avsatta pulverlager och bygga komplexa komponenter med densiteter som överstiger 99,5 % lager för lager; med typiska kylningshastigheter som når storleksordningen 10⁶ K/s, kan den producera övermättade fasta lösningar och ultrafina-korniga mikrostrukturer långt borta från jämviktsstelnande tillstånd. Samtidigt visar LDED-tekniken, som använder synkron pulvermatning och lasersmältning, unika fördelar när det gäller att reparera skadade delar och tillverka storskaliga strukturella komponenter såväl som material med kompositionsgrad. Ändå möter aluminiumlegeringar en rad inneboende fysiska-metallurgiska utmaningar under lasertillverkning. Vid rumstemperatur uppvisar aluminiumlegeringar en reflektionsförmåga som överstiger 90 % för nära-infraröda lasrar (våglängd: 1070 nm), vilket resulterar i extremt låg energikopplingseffektivitet och kräver hög-effekt-lasrar för att skapa en stabil smältpool. Aluminiumlegeringsytor bildar lätt en tät oxidfilm (Al₂O₃) med en smältpunkt på 2072 grader -betydligt högre än 660 graders smältpunkt för aluminiummatrisen; fragment av denna oxidfilm misslyckas ofta med att smälta helt i smältbassängen, vilket ofta fungerar som initieringsplatser för sprickor och avsaknad av-fusionsdefekter. Ännu mer kritiskt är att lösligheten av väte i flytande aluminium (ca. 0.7 cm³/100g) är mycket högre än i fast aluminium (ca. 0.04 cm³/100g); under snabb stelning kan övermättade väteatomer inte diffundera ut i tid och istället ackumuleras vid den fasta -vätskegränsytan för att bilda bubbelkärnor, vilket slutligen lämnar efter sig metallurgiska porer som sträcker sig från några till flera tiotals mikrometer i diameter inom den stelnade mikrostrukturen. Samtidigt gör det breda stelningstemperaturintervallet (t.ex. överstigande 150 grader för Al7075) och betydande stelningskrympning (cirka 6%) av aluminiumlegeringar dem mycket känsliga för stelningskrympningporositet och hetsprickbildning när matningskanalerna stänger under de sista stadierna av smältbassängens stelning; dessa problem representerar kärnutmaningar i LPBF-bearbetningen av höghållfasta 2xxx- och 7xxx-aluminiumlegeringar. De extrema termiska cyklingsegenskaperna som är inneboende i lasertillverkning-som involverar lokaliserade smältbassängtemperaturer som överstiger 2000 grader tillsammans med omgivande pulver- och substrattemperaturer som sträcker sig från rumstemperatur till 200 grader, vilket resulterar i temperaturgradienter så höga som 10⁶ K/m}, genererar komplexa spänningar inom komponentfältet{50}; om de lämnas okontrollerade kan dessa spänningar leda till skevhet, deformation eller till och med sprickbildning mellan skikten.
02 Kompositionsdesign - På nivån för kompositionsdesign är legeringssystem som traditionellt används för gjutning och smide ofta olämpliga för additiv tillverkning. Om man tar AlSi10Mg-legeringen som ett exempel, ger dess nästan-eutektiska sammansättning utmärkt flytbarhet under gjutning; under de snabba stelningsförhållandena för LPBF fungerar emellertid det grova eutektiska kiselfasnätverket som en källa till stresskoncentration. Dessutom sjunker legeringens draghållfasthet vid 300 grader till ungefär 10 % av dess rums-temperaturhållfasthet-, ett fenomen som tillskrivs den snabba förgrovningen och upplösningen av den eutektiska mikrostrukturen vid höga temperaturer. Följaktligen har utvecklingen av specialiserade sammansättningssystem av aluminiumlegeringar som är skräddarsydda för egenskaperna hos additiv tillverkning blivit ett viktigt forskningsfokus på området.
Forskning utförd av Chongqing Institute of Green and Intelligent Technology, Chinese Academy of Sciences, avslöjar att tillsats av spårmängder av Sc (0,2–0,4 vikt%) och Zr (0,1–0,3 vikt%) till Al-Mg-legeringar möjliggör *in situ* bildning av primär Al₃(Sc,Zr) i nanoskala under fasstrukturen i fast fas med L1-processen med fast struktur med L1. Laser Powder Bed Fusion (LPBF). Dessa faser uppvisar extremt låg gittermissanpassning (ungefär 1,3 %) med -Al-matrisen och fungerar som högeffektiva heterogena kärnbildningsställen och förfinar kornstorlekar från tiotals mikrometer ner till sub-mikrometerskalan. Studien indikerar att den som-byggda Al-Mg-Mn-Sc-Zr-legeringen uppvisar en karakteristisk bimodal kornstruktur: ett område med fina likaxliga korn (genomsnittlig storlek ~1,04 μm) vid smältpölarnas kanter, 1, 1 och 2 kanter. μm) växer längs byggriktningen i smältbassängens centrum. Denna heterogena kornstruktur uppstår från rumsliga variationer i temperaturgradienter och kärnbildningstätheter inom smältpoolen; kanterna har höga temperaturgradienter och en anrikning av primära Al3(Sc,Zr)-faser, vilket främjar heterogen kärnbildning, medan mitten kännetecknas av en starkt riktad temperaturgradient som gynnar epitaxiell kristalltillväxt längs riktningen för maximal värmeavledning. Noterbart, medan Sc är dyrt (ca 3 000 USD/kg), är Zr relativt billigt (ca 30 USD/kg); den kombinerade tillsatsen av dessa element skapar en Al₃Sc-kärna/Al₃Zr-skalstruktur som inte bara avsevärt förbättrar den termiska stabiliteten för förstärkningsfaserna utan också effektivt minskar legeringskostnaderna. Samtidigt har ett team från Shanghai Jiao Tong University föreslagit en innovativ designstrategi baserad på en deformerbar-transformerbar eutektisk nanoställning. De valde ett nära-eutektiskt Al-Er-system (12,7 viktprocent Er) som modelllegering, och utnyttjade bildningen av den L1₂-strukturerade Al₃Er-fasen-som uppvisar en gittermissanpassning på endast 3,96 % med {{37}-system med glidning, och högt bundet. Under LPBF-utskriftsprocessen fälls Al₃Er ut med en volymfraktion på cirka 10,3 % i form av ett kontinuerligt 3D nano-skelett; detta skelett tål inte bara höga påfrestningar som överstiger 1300 MPa utan underlättar också plastisk anpassning under deformation genom bildandet av deformationstvillingar och 9R långa-staplingsordnade strukturer, vilket i grunden kullkastar den konventionella uppfattningen att eutektiska skelett i sig är spröda. Den som-tryckta Al-Er-Mg-legeringen (RAE700) uppvisar en sträckgräns på 632 MPa, som ökar till 707 MPa efter direkt åldring samtidigt som den bibehåller en töjning på 7–10 %, vilket resulterar i en omfattande prestandaprofil som överträffar en{5} tidigare rapporterad 5} legeringar. Dessutom utvecklade ett forskarteam vid Nagoya University en Al-Fe-Mn-Ti-legeringsserie baserad på en "elementpartitioneringskontroll"-strategi; genom att tillsätta Cu och Mn för att stabilisera Al₆Fe-fasen och omvandla den till en välgörande förstärkningsfas-samtidigt som Ti som fördelar sig i den fasta fasen för att förfina korn till cirka 2,3 μm-når legeringen en rums-temperatur-draghållfasthet på 1–4 MP med en draghållfasthet på %a, 400 egenskaper förblir praktiskt taget oförändrade efter 100 timmars termisk exponering vid 300 grader.
