01 Предизвикателствата на епохата - Благодарение на тяхната ниска плътност, висока специфична якост и отлична устойчивост на корозия, алуминиевите сплави се превърнаха в незаменими структурни материали в секторите на космическото, автомобилното и енергийното оборудване. Въпреки това, тъй като търсенето на съвременната индустрия за сложни геометрии и висока-производителност, леки компоненти нараства, традиционните методи за леене и машинна обработка се сблъскват с фундаментални ограничения в производството на части, включващи сложни вътрешни канали, решетъчни структури и тънко{4}}стенни елементи. Технологиите за адитивно производство-и по-специално Laser Powder Bed Fusion (LPBF) и Laser Directed Energy Deposition (LDED)-предлагат революционни пътища за преодоляване на тези производствени затруднения. LPBF технологията използва лазерен лъч с висока-енергия за селективно стопяване на предварително{10}}отложени прахообразни слоеве, изграждайки сложни компоненти с плътност над 99,5% слой по слой; с типични скорости на охлаждане, достигащи от порядъка на 10⁶ K/s, той може да произведе свръхнаситени твърди разтвори и ултрафини-зърнести микроструктури, далеч от равновесните състояния на втвърдяване. Междувременно технологията LDED, използваща синхронно подаване на прах и лазерно топене, демонстрира уникални предимства при поправянето на повредени части и производството на структурни компоненти в голям-мащаб, както и градирани по състав материали. Независимо от това, алуминиевите сплави се сблъскват с поредица от присъщи физически-металургични предизвикателства по време на производството с лазерни добавки. При стайна температура алуминиевите сплави показват коефициент на отразяване, надвишаващ 90% за лазери с близък{20}}инфрачервен спектър (дължина на вълната: 1070 nm), което води до изключително ниска ефективност на свързване на енергията и налага лазери с висока-мощност-плътност за установяване на стабилен резервоар от стопилка. Повърхностите от алуминиеви сплави лесно образуват плътен оксиден филм (Al₂O₃) с точка на топене 2072 градуса -значително по-висока от 660 градуса точка на топене на алуминиевата матрица; фрагменти от този оксиден филм често не успяват да се стопят напълно в резервоара от стопилка, често служейки като начални места за пукнатини и липса-на{-дефекти на сливане. Още по-критично е, че разтворимостта на водорода в течен алуминий (приблизително. 0.7 cm³/100g) е много по-висока, отколкото в твърд алуминий (приблизително. 0.04 cm³/100g); по време на бързото втвърдяване свръхнаситените водородни атоми не могат да дифундират навън във времето и вместо това се натрупват в границата на твърдо-течност, за да образуват мехурчета, като в крайна сметка оставят след себе си металургични пори, вариращи от няколко до няколко десетки микрометра в диаметър в рамките на втвърдената микроструктура. Междувременно широкият температурен диапазон на втвърдяване (напр. надвишаващ 150 градуса за Al7075) и значителното свиване при втвърдяване (приблизително 6%) на алуминиевите сплави ги правят силно податливи на порьозност при свиване при втвърдяване и горещо напукване, след като захранващите канали се затворят по време на крайните етапи на втвърдяване на стопилката; тези проблеми представляват основни предизвикателства при обработката на LPBF на алуминиеви сплави от серия 2xxx и 7xxx с висока{42}}якост. Характеристиките на екстремния термичен цикъл, присъщи на производството на лазерни добавки-включващи локализирани температури на стопилката, надвишаващи 2000 градуса, заедно с околните температури на праха и субстрата, вариращи от стайна температура до 200 градуса, което води до температурни градиенти до 10⁶ K/m-генерират сложни полета на топлинно напрежение в компонента; ако бъдат оставени неконтролирани, тези напрежения могат да доведат до изкривяване, деформация или дори напукване на междинния слой.
02 Дизайн на състава - На ниво дизайн на състава, системите от сплави, традиционно използвани за леене и коване, често са неподходящи за производство с добавки. Като вземем за пример сплавта AlSi10Mg, нейният почти-евтектичен състав придава отлична течливост по време на леене; въпреки това, при условията на бързо втвърдяване на LPBF, мрежата от груба евтектична силициева фаза действа като източник на концентрация на напрежение. Освен това якостта на опън на сплавта при 300 градуса спада до приблизително 10% от нейната якост при стайна -температура-, феномен, който се дължи на бързото загрубяване и разтваряне на евтектичната микроструктура при високи температури. Следователно, разработването на специализирани системи за състав на алуминиеви сплави, съобразени с характеристиките на адитивното производство, се превърна в ключов изследователски фокус в тази област.
Изследване на Института за зелени и интелигентни технологии в Чунцин, Китайската академия на науките, разкрива, че добавянето на следи от Sc (0,2–0,4 тегл.%) и Zr (0,1–0,3 тегл.%) към Al-Mg сплави позволява образуването *in situ* на наномащабни първични Al3(Sc,Zr) фази с L1₂ подредена структура по време на процеса на бързо втвърдяване на лазера Сливане на прахов слой (LPBF). Тези фази показват изключително ниско несъответствие на решетката (приблизително 1,3%) с -Al матрицата и служат като високоефективни хетерогенни места за нуклеация, пречиствайки размерите на зърната от десетки микрометри до под-микрометровия мащаб. Проучването показва, че -изградената Al-Mg-Mn-Sc-Zr сплав показва характерна бимодална зърнеста структура: област от фини равноосни зърна (среден размер ~1,04 μm) в краищата на басейна за стопилка и област от колоновидни зърна (среден размер ~2,11 μm), растящи по посока на изграждане в центъра на стопилката. Тази хетерогенна зърнеста структура възниква от пространствени вариации в температурните градиенти и плътностите на нуклеация в басейна на стопилката; краищата се характеризират с високи температурни градиенти и обогатяване на първични Al3(Sc,Zr) фази, които насърчават хетерогенно зародишване, докато центърът се характеризира със силно насочен температурен градиент, който благоприятства епитаксиалния растеж на кристалите по посока на максималното разсейване на топлината. Трябва да се отбележи, че докато Sc е скъп (приблизително $3000/kg), Zr е относително евтин (приблизително $30/kg); комбинираното добавяне на тези елементи създава Al₃Sc-сърцевина/Al3Zr-обвивка, която не само значително подобрява термичната стабилност на укрепващите фази, но също така ефективно намалява разходите за сплав. Междувременно екип от университета Jiao Tong в Шанхай предложи иновативна стратегия за дизайн, базирана на деформируемо-трансформируемо евтектично наноскеле. Те избраха почти -евтектична Al-Er система (12,7 wt% Er) като моделна сплав, използвайки образуването на L1₂-структурирана Al3Er фаза-която показва несъответствие на решетката от само 3,96% с -Al, заедно с обилни системи на приплъзване и висока способност за побратимяване. По време на процеса на LPBF печат, Al₃Er се утаява с обемна фракция от приблизително 10,3% под формата на непрекъснат 3D нано-скелет; този скелет не само издържа на високи напрежения, надвишаващи 1300 MPa, но също така улеснява пластичното настаняване по време на деформация чрез образуването на деформационни близнаци и подредени структури с дълъг-период на подреждане, като по този начин фундаментално преобръща конвенционалното виждане, че евтектичните скелети са присъщо крехки. Отпечатаната Al-Al-Er-Mg сплав (RAE700) показва граница на провлачване от 632 MPa, която се увеличава до 707 MPa след директно стареене, като същевременно поддържа удължение от 7–10%, което води до цялостен профил на производителност, който надминава всички докладвани по-рано 3D-отпечатан алуминий сплави. Освен това изследователски екип от университета в Нагоя разработи серия сплави Al-Fe-Mn-Ti, базирана на стратегия за „контрол на разделянето на елементите“; чрез добавяне на Cu и Mn за стабилизиране на Al₆Fe фазата и превръщането й в полезна укрепваща фаза-като едновременно с това се въвежда Ti, който се разпределя в твърдата фаза за рафиниране на зърната до приблизително 2,3 μm-сплавта постига якост на опън при стайна-температура от 390 MPa и удължение от 14–17%, като свойствата остават практически непроменени след 100 часа термично излагане при 300 градуса.
