01 Samtida utmaningar: På grund av sin låga densitet, höga specifika hållfasthet och utmärkta korrosionsbeständighet har aluminiumlegeringar blivit oumbärliga konstruktionsmaterial inom flyg-, bil- och energiutrustningssektorerna. Men med den ökande efterfrågan inom modern industri på komplexa geometrier och högpresterande lättviktskomponenter, möter traditionella gjutnings- och bearbetningsmetoder grundläggande begränsningar när de tillverkar delar med invecklade interna kanaler, gallerstrukturer och tunna-väggar. Additiv tillverkningsteknik-specifikt Laser Powder Bed Fusion (LPBF) och Laser Directed Energy Deposition (LDED)- erbjuder revolutionerande vägar för att övervinna dessa tillverkningsflaskhalsar. LPBF-teknik konstruerar komplexa komponenter med densiteter som överstiger 99,5 % genom att selektivt smälta för-avsatta pulverlager med hjälp av en hög-laserstråle, och bygga strukturen lager för lager. Med typiska nedkylningshastigheter som når storleksordningen 10⁶ K/s, möjliggör denna process bildandet av övermättade fasta lösningar och ultrafina-korniga mikrostrukturer som ligger långt bortom jämviktsstelningstillståndet. Omvänt visar LDED-teknik-som använder samtidig matning av pulver tillsammans med lasersmältning-unika fördelar vid reparation av skadade delar, tillverkning av-storskaliga strukturella komponenter och produktion av funktionellt graderade material. Ändå möter aluminiumlegeringar en rad inneboende fysiska-metallurgiska utmaningar under tillverkningsprocessen för laseradditiv. Aluminiumlegeringar uppvisar en reflektionsförmåga på över 90 % mot nära-infraröda lasrar (med en våglängd på 1070 nm) vid rumstemperatur; detta resulterar i extremt låg energikopplingseffektivitet, vilket kräver användning av hög-effektslasrar- för att skapa en stabil smältpool. Dessutom bildas en tät oxidfilm (Al2O3) lätt på ytan av aluminiumlegeringar. Med en smältpunkt på 2072 grader -betydligt högre än den för aluminiummatrisen (660 grader )-smälter fragment av denna oxidfilm ofta inte helt i smältpoolen, och fungerar ofta som kärnbildningsplatser för sprickor och källor till bristande-fusionsdefekter.{{33} Mest kritiskt är att lösligheten av väte i flytande aluminium (cirka 0,7 cm³/100g) är mycket högre än i fast aluminium (ungefär 0,04 cm³/100g). Under den snabba stelningsprocessen saknar övermättade väteatomer tillräcklig tid för att diffundera ut; istället ackumuleras de vid den fasta-vätskegränsytan för att bilda gasbubbelkärnor, vilket slutligen lämnar efter sig metallurgiska porer som sträcker sig från några mikrometer till tiotals mikrometer i diameter inom den stelnade mikrostrukturen. Samtidigt gör det breda stelningstemperaturintervallet för aluminiumlegeringar (t.ex. överstigande 150 grader för Al7075) och deras betydande stelningskrympning (cirka 6%) dem mycket känsliga för stelningsporositet och hetsprickbildning när matningskanalerna i svansen av smältbassängen stängs. Detta utgör kärnutmaningen för aluminiumlegeringar i 2xxx- och 7xxx-serien med hög-hållfasthet under LPBF-processen. Dessutom genererar den extrema termiska cyklingskaraktäristiken för lasertillverkning-där lokaliserade smältbassängstemperaturer överstiger 2000 grader medan det omgivande pulvret och substratet förblir mellan rumstemperatur och 200 grader, vilket resulterar i temperaturgradienter så höga som 10⁶ K/m-, genererar ett komplext spänningsfält inom de vävda komponenterna; om det lämnas okontrollerat kan detta leda till vridning, deformation och till och med-sprickor mellan lagren.
02 Kompositionsdesign: När det gäller kompositionsdesign är de aluminiumlegeringssystem som traditionellt används i gjutning och smide ofta olämpliga för additiv tillverkning. Med AlSi10Mg-legeringen som ett exempel: medan dess nära-eutektiska sammansättning ger den utmärkt flytbarhet under gjutning, under de snabba stelningsförhållandena för LPBF, blir det grova nätverket av eutektiska kiselfaser paradoxalt nog 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 förhöjda temperaturer. Följaktligen har utvecklingen av specialiserade aluminiumlegeringssystem skräddarsydda för de unika egenskaperna hos additiv tillverkning framstått som en viktig forskningshotspot inom detta område.
Forskning utförd av Chongqing Institute of Green and Intelligent Technology, Chinese Academy of Sciences, avslöjar att genom att lägga till spårmängder av Sc (0,2–0,4 vikt%) och Zr (0,1–0,3 vikt%) till Al-Mg-baserade legeringar, nanoskala Al₃(Sc,Zr) i primär fas L1₃(Sc,Zr) beställd struktur-kan bildas *in situ* under den snabba stelningsprocessen av Laser Powder Bed Fusion (LPBF). Denna fas uppvisar en extremt låg gittermissanpassning (ungefär 1,3 %) med -Al-matrisen, och fungerar därigenom som ett mycket effektivt heterogent kärnbildningsställe som förfinar kornstorleken från tiotals mikrometer ner till under-mikrometernivån. Studien noterar vidare att den SLM-tillverkade Al-Mg-Mn-Sc-Zr-legeringen uppvisar en karakteristisk bimodal kornstruktur: kanterna på smältbassängen har en fin likaxlig kornzon med en genomsnittlig kornstorlek på cirka 1 m, 0 m, medan mitten består av ca. kolumnformad kornzon-som växer längs byggriktningen-med en genomsnittlig kornstorlek på cirka 2,11 μm. Denna heterogena kornstruktur härrör från rumsliga variationer i temperaturgradienter och kärnbildningstätheter inom smältpoolen; specifikt kännetecknas smältbassängens kanter av branta temperaturgradienter och en anrikning av Al3(Sc,Zr) primära faser, vilket främjar heterogen kärnbildning, medan smältbassängens centrum uppvisar en starkt riktad temperaturgradient som underlättar den epitaxiella tillväxten av kristaller längs riktningen för maximal värmeavledning. Noterbart, medan Sc är ett dyrt element (prissatt till cirka 3 000 USD/kg), är Zr relativt billigt (ungefär 30 USD/kg); det kombinerade tillägget av dessa två element skapar en kärna-skalstruktur-som består av en Al₃Sc-kärna och ett Al₃Zr-skal-som inte bara avsevärt förbättrar den termiska stabiliteten för förstärkningsfaserna utan också effektivt minskar den totala kostnaden för legeringen. Samtidigt har ett team från Shanghai Jiao Tong University föreslagit en alternativ innovativ designstrategi centrerad på en "deformerbar-omformbar eutektisk nanoställning." Genom att välja det nära-eutektiska Al-Er-systemet (12,7 vikt% Er) som sin modelllegering, utnyttjade teamet Ers förmåga att bilda en Al₃Er-fas med en L1₂-struktur i kombination med Al; denna fas uppvisar en gittermissanpassning på endast 3,96 % i förhållande till -Al-matrisen och kännetecknas av ett överflöd av glidsystem och en hög kapacitet för tvilling. Under LPBF-utskriftsprocessen fälls Al₃Er ut i form av ett kontinuerligt, tre-dimensionellt skelett i nanoskala, vilket utgör cirka 10,3 vol-%. Detta skelett är inte bara kapabelt att uthärda höga spänningar som överstiger 1300 MPa utan underlättar också plastisk anpassning under deformation genom bildandet av deformationstvillingar och 9R långa-staplingsstrukturer-ordnade-och därmed i grunden omkullkasta den traditionella uppfattningen att eutektiska skelett är inttleten. Den som-tryckta Al-Er-Mg-legeringen (RAE700) uppvisar en sträckgräns på 632 MPa, som ytterligare ökar till 707 MPa efter direkt åldringsbehandling, samtidigt som den bibehåller en töjning på 7–10 %; dessa omfattande egenskaper överträffar alla tidigare rapporterade 3D-tryckta aluminiumlegeringar. Dessutom har ett forskarteam vid Nagoya University utvecklat en serie Al-Fe-Mn-Ti-legeringar baserade på en "elemental partitioning control"-strategi. Genom att lägga till Cu och Mn stabiliserade de framgångsrikt Al₆Fe-fasen-och omvandlade den till en fördelaktig förstärkningsfas-samtidigt som Ti introducerades, som delar upp sig i den fasta fasen för att inducera kornförfining (till cirka 2,3 μm). Följaktligen uppnår legeringen en draghållfasthet vid rumstemperatur- på 390 MPa och en duktilitet på 14–17 %; avsevärt förblir dess mekaniska egenskaper praktiskt taget oförändrade även efter termisk exponering vid 300 grader i 100 timmar.
03 Processkontroll: Det kvantitativa förhållandet mellan processparametrar och smältpoolsdynamik är nyckeln till att klargöra mekanismerna som styr mikrostrukturbildning vid lasertillverkning av aluminiumlegeringar. Vätskedynamiska beteenden inom smältbassängen drivs kollektivt av Marangoni-konvektion, rekyltryck, flytkraft och termokapillära krafter. Bland dessa utgör Marangoni-skjuvkrafter-som härrör från ytspänningsgradienter inducerade av temperaturgradienter över smältbassängens yta-den dominerande kraften som driver smält metallflöde från poolens centrum mot dess periferi. Omvänt utövar rekyltryck-som genereras av den kraftiga utstötningen av metallånga inuti nyckelhålet-en tryckkraft som trycker den smälta metallen mot botten och sidoväggarna av nyckelhålet. Studier indikerar att volymetrisk energitäthet (VED) fungerar som det kritiska måttet för att bestämma övergångar i smältpoolsläge: när VED överstiger ungefär 60 J/mm³, blir det evaporativa rekyltrycket tillräckligt för att generera ett nyckelhål i smältbassängen med ett bildförhållande som är större än 1, vilket initierar "nyckelhålsläget"; omvänt arbetar processen i "ledningsmod". Även om nyckelhålsläget underlättar uppnåendet av hög materialdensitet, utgör nyckelhålets instabila oscillation-specifikt, den periodiska kollapsen av dess främre vägg-den primära mekanismen för bildandet av nyckelhålsporositet (porer vanligtvis 50–200 μm i diameter). Dessa porer kännetecknas av sin stora storlek och oregelbundna morfologi, vilket tillfogar utmattningsprestandan betydligt större än metallurgiska porer i finska{17}}. Forskning utförd vid Northwestern Polytechnical University har visat att tillsatsen av en spårmängd (0,15 vikt%) av en Al-Nb-B-kornraffinör till AlSi10Mg-legering avsevärt kan modulera den kolumnära-till-likaxliga övergången (CET). De resulterande NbB2- och Al3Nb-partiklarna fungerar som heterogena kärnbildningsställen och höjer volymfraktionen av likaxliga korn från mindre än 20 % till över 80 %; Samtidigt minskar detta ingrepp det plastiska anisotropiförhållandet (definierat som förhållandet mellan longitudinell till tvärgående förlängning) från 3,5 till 1,2, varigenom ett tillstånd av nästan fullständig isotropi uppnås. De evolutionära egenskaperna hos porositetsdefekter uppvisar distinkta variationer mellan olika aluminiumlegeringssystem: i Al-Cu-serielegeringar resulterar det breda stelningsintervallet i ökat flödesmotstånd inom den mosiga zonen, vilket gör effektiv matning (kompenserande smältflöde) mer utmanande; följaktligen kan volymandelen av metallurgiska porer i dessa legeringar nå 1–2 %. Däremot tillåter Al-Si-seriens legeringar-på grund av det smala stelningsintervallet som är förknippat med deras eutektiska sammansättning- att porositetsnivåerna effektivt kan kontrolleras till under 0,1 %. Bildandet av kristallstruktur är nära kopplat till lagrets-genom-lagers stelningsbeteende; när en 0 graders enkelriktad avsökningsstrategi används, a<001>textur utvecklas längs byggriktningen, vilket resulterar i en skillnad på 10–20 % mellan sträckgränserna i längsgående (byggriktning) och tvärgående riktningar. Omvänt kan antagandet av en 67 graders rotationsskanningsstrategi reducera texturintensiteten till en nivå av slumpmässig orientering, vilket i huvudsak eliminerar anisotropi i mekaniska egenskaper. När det gäller serviceprestanda vid hög-temperatur uppvisar additivt tillverkade aluminiumlegeringar en unik potential för förstärkning tillsammans med specifika utmaningar när det gäller egenskapsförsämring. En recensionsartikel från Central South University kategoriserar de hög-temperaturförstärkande mekanismerna hos värme-beständiga additivt tillverkade aluminiumlegeringar i tre kärnvägar. För det första konstruerar den synergistiska effekten av flera-komponenter en flerskiktad, termiskt stabil arkitektur genom att inkludera element med varierande diffusionshastigheter. Till exempel, i Al-Ce-Sc-Zr-legeringar, den täta och enhetliga Al₁₁Ce₃ eutektiska fasen, kombinerat med intragranulär L1₂-Al₃(Sc,Zr) utfällning, skapar en dubbelstyrka- detta gör det möjligt för legeringen att bibehålla en draghållfasthet på 233 MPa vid 300 grader och 142 MPa vid 400 grader, utan att någon signifikant kornförgrovning observeras även efter långvarig termisk exponering vid 400 grader i 96 timmar. För det andra bygger intermetallisk förstärkning på att välja intermetalliska föreningar med låga diffusionskoefficienter och höga smältpunkter för att bilda en stel skelettstruktur vid förhöjda temperaturer. Förgrovningshastighetskonstanten för Al₁₁Ce₃-fasen vid 400 grader är bara 1,6 nm³/s-betydligt lägre än den för Al₂Cu-fasen i traditionella Al-Cu-legeringar vid samma temperatur (ungefär 100 nm³); denna överlägsna stabilitet vid hög-temperatur gör att den förra kontinuerligt fungerar som en effektiv barriär mot dislokationsrörelse. För det tredje hämmar reglering i atomär -skala förgrovning genom att introducera segregerande element vid gränssnitten mellan förstärkningsfaser och matrisen. Studier har visat att element som Sc, Zr, Si och Mn-som segregerar vid θ′-Al₂Cu/ -Al-gränssnittet-kan sänka gränsytans energi och hindra atomär diffusion, och därigenom utöka servicetemperaturintervallet från alla 1soy}}2xx-gradersgränser på 2x200. mellan 250 grader och 300 grader. En studie publicerad i *Nature Communications*-ledd av akademiker Lu Jian från City University of Hong Kong i samarbete med flera institutioner-har tagit ett betydande steg framåt genom att använda vanliga föroreningselement som finns i aluminiumlegeringar (Si, Fe, Mn och Ni) för att utveckla en värmebeständig- Al-7.44Si-2.34Fe-1.79Mn-1.12Ni-legering som varken innehåller ädla metaller eller sällsynta jordartsmetaller. Under snabba stelnande förhållanden genomgår denna legering icke-jämviktssegregering, inbäddar värme-beständiga multi-intermetalliska nanoutfällningar-och upptar en volymfraktion på upp till 14 %-vid de stelningsbara cellgränserna och bildar därigenom mikrostrukturer som går att stelna. Utan att kräva någon efterbearbetning-uppvisar legeringen en draghållfasthet vid rumstemperatur- på 582 MPa, med styrkor på 263 MPa och 114 MPa vid 300 grader respektive 400 grader. Dessutom avslöjar studien-för första gången i aluminiumlegeringar-en härdningsmekanism som drivs av amorfisering i fast-tillstånd: under hög-temperaturdeformation genomgår en del av de intermetalliska nanoutfällningarna en fast tillstånds amorf transformation, en "i slutändan" (L1₂-ordnad ′-(Ni,Fe)₃Al-fas)" nanobifasisk struktur som ger en ytterligare energiavledningsväg för sprickutbredning vid hög temperatur.
