01 Съвременни предизвикателства: Поради тяхната ниска плътност, висока специфична якост и отлична устойчивост на корозия, алуминиевите сплави са се превърнали в незаменими структурни материали в секторите на космическото, автомобилното и енергийното оборудване. Въпреки това, с нарастващото търсене в съвременната индустрия на сложни геометрии и леки компоненти с висока-производителност, традиционните методи за леене и машинна обработка са изправени пред фундаментални ограничения при производството на части, включващи сложни вътрешни канали, решетъчни структури и тънко{3}}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. Технологията LPBF конструира сложни компоненти с плътност над 99,5% чрез селективно топене на предварително-отложени прахови слоеве с помощта на високо-енергиен лазерен лъч, изграждайки структурата слой по слой. С типичните скорости на охлаждане, достигащи от порядъка на 10⁶ K/s, този процес позволява образуването на свръхнаситени твърди разтвори и ултрафини-зърнести микроструктури, които се намират далеч отвъд равновесното състояние на втвърдяване. Обратно, технологията LDED-, която използва едновременното подаване на прах заедно с лазерното топене-демонстрира уникални предимства при ремонта на повредени части, производството на широкомащабни-структурни компоненти и производството на функционално градирани материали. Независимо от това, алуминиевите сплави се сблъскват с поредица от присъщи физически-металургични предизвикателства по време на процеса на производство на лазерни добавки. Алуминиевите сплави проявяват отразяваща способност от над 90% към лазери с близък-инфрачервен спектър (с дължина на вълната 1070 nm) при стайна температура; това води до изключително ниска ефективност на свързване на енергия, което налага използването на лазери с висока-мощност-плътност за установяване на стабилен резервоар от стопилка. Освен това върху повърхността на алуминиевите сплави лесно се образува плътен оксиден филм (Al₂O3). С точка на топене от 2072 градуса -значително по-висока от тази на алуминиевата матрица (660 градуса )-фрагментите от този оксиден филм често не успяват да се стопят напълно в резервоара за стопилка, често служейки като места за образуване на ядра за пукнатини и източници на липса-на-дефекти на синтез. Най-важното е, че разтворимостта на водород в течен алуминий (приблизително 0,7 cm³/100g) е значително по-висока от тази в твърд алуминий (приблизително 0,04 cm³/100g). По време на процеса на бързо втвърдяване, пренаситените водородни атоми нямат достатъчно време, за да дифундират навън; вместо това те се натрупват в предната част на интерфейса твърдо-течно, за да образуват ядра от газови мехурчета, като в крайна сметка оставят след себе си металургични пори, вариращи от няколко микрона до десетки микрона в диаметър в рамките на втвърдената микроструктура. Междувременно широкият температурен диапазон на втвърдяване на алуминиевите сплави (напр. над 150 градуса за Al7075) и значителното им свиване при втвърдяване (приблизително 6%) ги правят силно податливи на порьозност при втвърдяване и горещо напукване, след като захранващите канали в опашката на стопилката се затворят. Това представлява основното предизвикателство, пред което са изправени високоякостните алуминиеви сплави от сериите 2xxx и 7xxx по време на процеса LPBF. Освен това екстремният термичен цикъл, характерен за производството на лазерни добавки-, при който локализираните температури на стопилката надвишават 2000 градуса, докато заобикалящият прах и субстрат остават между стайна температура и 200 градуса, което води до температурни градиенти до 10⁶ K/m-генерира сложно термично поле на напрежение в произведените компоненти; ако се остави без контрол, това може да доведе до изкривяване, деформация и дори между-напукване на слоевете.
02 Дизайн на състава: На ниво дизайн на състава, системите от алуминиева сплав, традиционно използвани при леене и коване, често са неподходящи за производство с добавки. Вземайки сплавта AlSi10Mg като пример: докато нейният почти-евтектичен състав й придава отлична течливост по време на леене, при условията на бързо втвърдяване на LPBF, грубата мрежа от евтектични силициеви фази парадоксално се превръща в източник на концентрация на напрежение. Освен това якостта на опън на сплавта при 300 градуса пада до приблизително 10% от нейната якост при стайна -температура-, феномен, който се дължи на бързото загрубяване и разтваряне на евтектичната микроструктура при повишени температури. Следователно разработването на специализирани системи от алуминиеви сплави, съобразени с уникалните характеристики на адитивното производство, се очерта като ключова изследователска гореща точка в тази област.
Изследванията, проведени от Института за зелени и интелигентни технологии в Чунцин, Китайската академия на науките, разкриват, че чрез добавяне на следи от Sc (0,2–0,4 тегл.%) и Zr (0,1–0,3 тегл.%) към сплави на базата на Al-Mg-, първичните фази на наномащаб Al3(Sc,Zr)-притежават подреден L1₂ структура-може да се формира *in situ* по време на процеса на бързо втвърдяване на Laser Powder Bed Fusion (LPBF). Тази фаза показва изключително ниско несъответствие на решетката (приблизително 1,3%) с -Al матрицата, като по този начин служи като високоефективно хетерогенно място за нуклеация, което прецизира размера на зърното от десетки микрометри до под-микрометровото ниво. Проучването освен това отбелязва, че произведената от SLM-Al-Mg-Mn-Sc-Zr сплав представя характерна бимодална зърнеста структура: ръбовете на басейна от стопилка се отличават с фина равноосна зона на зърно със среден размер на зърното от приблизително 1,04 μm, докато центърът на басейна от стопилка се състои от колонна зона на зърно-растяща по посока на изграждане-със среден размер на зърното от приблизително 2,11 μm. Тази хетерогенна зърнеста структура произтича от пространствени вариации в температурните градиенти и плътностите на нуклеация в басейна на стопилката; по-конкретно, ръбовете на басейна за стопилка се характеризират със стръмни температурни градиенти и обогатяване на първични фази на Al3(Sc,Zr), което насърчава хетерогенно образуване на ядра, докато центърът на басейна за стопилка показва силно насочен температурен градиент, който улеснява епитаксиалния растеж на кристали по посока на максималното разсейване на топлината. По-специално, докато Sc е скъп елемент (на цена приблизително $3000/kg), Zr е относително евтин (приблизително $30/kg); комбинираното добавяне на тези два елемента създава ядро-обвивна структура-състояща се от Al₃Sc ядро и Al₃Zr обвивка-което не само значително подобрява термичната стабилност на укрепващите фази, но също така ефективно намалява общата цена на сплавта. Междувременно екип от Шанхайския университет Jiao Tong предложи алтернативна иновативна стратегия за проектиране, съсредоточена върху „деформируемо-трансформируемо евтектично наноскеле“. Избирайки почти-евтектичната система Al-Er (12,7 тегл.% Er) като своя моделна сплав, екипът използва способността на Er да образува фаза Al3Er със структура L1₂ във връзка с Al; тази фаза показва несъответствие на решетката от само 3,96% по отношение на -Al матрицата и се характеризира с изобилие от системи за приплъзване и висок капацитет за двойняване. По време на процеса на LPBF печат, Al₃Er се утаява под формата на непрекъснат, три-измерен наномащабен скелет, съставляващ приблизително 10,3 об.%. Този скелет не само е в състояние да издържи високи напрежения, надвишаващи 1300 MPa, но също така улеснява пластичното настаняване по време на деформация чрез образуването на деформационни близнаци и 9R дълъг-период на натрупване-подредени структури-като по този начин фундаментално преобръща традиционната представа, че евтектичните скелети са по своята същност крехки. Отпечатаната Al-Er-Mg сплав (RAE700) проявява граница на провлачване от 632 MPa, която допълнително се увеличава до 707 MPa след обработка на директно стареене, като същевременно поддържа удължение от 7–10%; тези всеобхватни свойства надминават тези на всички докладвани по-рано 3D-отпечатани алуминиеви сплави. Освен това изследователски екип от университета в Нагоя разработи серия от сплави Al-Fe-Mn-Ti въз основа на стратегия за „контрол на разделянето на елементите“. Чрез добавяне на Cu и Mn, те успешно стабилизираха фазата на Al₆Fe-като я трансформираха в полезна укрепваща фаза-като същевременно въведоха Ti, който се разпределя в твърдата фаза, за да предизвика рафиниране на зърната (до приблизително 2,3 μm). Следователно сплавта постига якост на опън при стайна-температура от 390 MPa и пластичност от 14–17%; значително, неговите механични свойства остават практически непроменени дори след термично излагане при 300 градуса за 100 часа.
03 Контрол на процеса: Количествената връзка между параметрите на процеса и динамиката на стопилката е от ключово значение за изясняване на механизмите, управляващи образуването на микроструктура при лазерно адитивно производство на алуминиеви сплави. Динамичното поведение на флуида в басейна на стопилката се задвижва колективно от конвекция на Марангони, налягане на отката, плаваемост и термокапилярни сили. Сред тях, силите на срязване на Марангони-произтичащи от градиенти на повърхностно напрежение, предизвикани от температурни градиенти по повърхността на басейна за стопилка-представляват доминиращата сила, движеща потока на разтопен метал от центъра на басейна към неговата периферия. Обратно, налягането на отката-, генерирано от енергичното изхвърляне на метални пари в ключалката-, упражнява сила на натиск, която избутва разтопения метал към дъното и страничните стени на ключалката. Проучванията показват, че обемната енергийна плътност (VED) служи като критична метрика за определяне на преходите в режим на стопилна вана: когато VED надвиши приблизително 60 J/mm³, изпарителното налягане на отката става достатъчно, за да генерира ключалка в рамките на стопената вана с аспектно съотношение, по-голямо от 1, като по този начин инициира „режим на ключалка“; обратно, процесът работи в "режим на провеждане". Въпреки че режимът на ключалката улеснява постигането на висока плътност на материала, нестабилното трептене на ключалката-по-специално, периодичното свиване на предната й стена-представлява основния механизъм за образуване на порьозност на ключалката (пори обикновено с диаметър 50–200 μm). Тези пори се характеризират с големия си размер и неправилна морфология, нанасяйки значително по-голяма вреда на характеристиките на умора, отколкото фините-металургични пори. Изследване, проведено в Северозападния политехнически университет, показа, че добавянето на следи от количество (0,15 тегл.%) от Al-Nb-B рафинер за зърно към AlSi10Mg сплав може значително да модулира колонния-към-равноосов преход (CET). Действайки като хетерогенни места за нуклеация, получените NbB₂ и Al3Nb частици повишават обемната фракция на равноосните зърна от по-малко от 20% до над 80%; същевременно тази интервенция намалява коефициента на пластична анизотропия (дефиниран като съотношението на надлъжно към напречно удължение) от 3,5 на 1,2, като по този начин се постига състояние на почти пълна изотропия. Еволюционните характеристики на дефектите на порьозността показват различни вариации в различните системи от алуминиеви сплави: в сплавите от серия Al-Cu широкият диапазон на втвърдяване води до повишено съпротивление на потока в зоната на каша, което прави ефективното захранване (компенсаторно течение на стопилка) по-предизвикателно; следователно, обемната част на металургичните пори в тези сплави може да достигне 1–2%. За разлика от това, сплавите от серията Al-Si-поради тесния диапазон на втвърдяване, свързан с техния евтектичен състав-позволяват нивата на порьозност да бъдат ефективно контролирани до под 0,1%. Образуването на кристална текстура е тясно свързано с поведението на втвърдяване слой-по-слой; когато се използва стратегия за еднопосочно сканиране от 0 градуса, a<001>текстурата се развива по посока на изграждане, което води до разлика от 10–20% между границите на провлачване в надлъжната (посока на изграждане) и напречната посока. Обратно, възприемането на стратегия за сканиране с ротация от 67 градуса може да намали интензитета на текстурата до ниво на произволна ориентация, като по този начин по същество елиминира анизотропията в механичните свойства. Що се отнася до експлоатационните характеристики при висока-температура, алуминиевите сплави, произведени с добавки, показват уникален потенциал за укрепване наред със специфични предизвикателства по отношение на влошаването на свойствата. Обзорна статия от Централния южен университет категоризира механизмите за укрепване при висока-температура на устойчиви на топлина-добавки произведени алуминиеви сплави в три основни пътя. Първо, много{10}}компонентният синергичен ефект изгражда много{11}}пластова, термично стабилна архитектура чрез включване на елементи с различни скорости на дифузия. Например, в Al-Ce-Sc-Zr сплави, плътната и равномерна евтектична фаза Al₁₁Ce3, комбинирана с интрагранулирани L1₂-Al3(Sc,Zr) утайки, създава двоен-укрепващ ефект; това позволява на сплавта да запази якост на опън от 233 MPa при 300 градуса и 142 MPa при 400 градуса, без значително загрубяване на зърната, наблюдавано дори след продължително термично излагане при 400 градуса за 96 часа. Второ, интерметалното укрепване разчита на избора на интерметални съединения с ниски коефициенти на дифузия и високи точки на топене, за да се образува твърда скелетна структура при повишени температури. Константата на скоростта на огрубяване на фазата Al₁₁Ce3 при 400 градуса е само 1,6 nm³/s-значително по-ниска от тази на фазата Al₂Cu в традиционните сплави Al-Cu при същата температура (приблизително 100 nm³/s); тази превъзходна високо{32}}температурна стабилност позволява на първия непрекъснато да действа като ефективна бариера за движението на дислокациите. Трето, регулирането на атомния -мащаб възпрепятства огрубяването чрез въвеждане на отделящи елементи в интерфейсите между укрепващите фази и матрицата. Проучванията показват, че елементи като Sc, Zr, Si и Mn-, които се отделят на интерфейса θ′-Al₂Cu/ -Al-, могат да намалят междуфазната енергия и да възпрепятстват атомната дифузия, като по този начин разширяват обхвата на работните температури на сплавите от серия 2xxx-от традиционната граница от 200 градуса до между 250 градуса и 300 градуса. Проучване, публикувано в *Nature Communications*-водено от академик Лу Джиан от Градския университет на Хонконг в сътрудничество с множество институции-направи значителна крачка напред чрез използване на често срещани примесни елементи, намиращи се в алуминиеви сплави (Si, Fe, Mn и Ni), за разработване на топлоустойчив- Al-7.44Si-2.34Fe-1.79Mn-1.12Ni сплав, която не съдържа нито благородни метали, нито редкоземни елементи. При условия на бързо втвърдяване тази сплав претърпява не-равновесна сегрегация, вграждайки топло-устойчиви много-компонентни интерметални нанопреципитати-, заемащи обемна фракция до 14%-в границите на клетките за втвърдяване, като по този начин образуват термично стабилна клетъчна микроструктура. Без да се изисква последваща-обработка, сплавта проявява якост на опън при стайна-температура от 582 MPa, с якост от 263 MPa и 114 MPa при 300 градуса и 400 градуса, съответно. Освен това проучването разкрива-за първи път в алуминиевите сплави-механизъм за закаляване, задвижван от аморфизация в твърдо-състояние: по време на висока-температурна деформация, част от интерметалните нанопреципитати претърпява аморфна трансформация в твърдо състояние, като в крайна сметка образува „аморфен + наночастици (L1₂-подредена ′-(Ni,Fe)₃Al фаза)" нанобифазна структура, която осигурява допълнителен път на разсейване на енергия за разпространение на пукнатини при висока температура.
