01 Provocări contemporane: Datorită densității scăzute, rezistenței specifice ridicate și rezistenței excelente la coroziune, aliajele de aluminiu au devenit materiale structurale indispensabile în sectoarele aerospațial, auto și echipamente energetice. Cu toate acestea, odată cu creșterea cererii din industria modernă pentru geometrii complexe și componente ușoare de-performanță înaltă, metodele tradiționale de turnare și prelucrare se confruntă cu limitări fundamentale atunci când produc piese cu canale interne complexe, structuri cu zăbrele și caracteristici cu pereți-subțiri. Tehnologiile de producție aditivă-în special Laser Powder Bed Fusion (LPBF) și Laser Directed Energy Deposition (LDED)-oferă căi revoluționare pentru a depăși aceste blocaje în producție. Tehnologia LPBF construiește componente complexe cu densități care depășesc 99,5% prin topirea selectivă a straturilor de pulbere pre-depuse utilizând un fascicul laser de înaltă-energie, construind structura strat cu strat. Cu viteze tipice de răcire de ordinul a 10⁶ K/s, acest proces permite formarea de soluții solide suprasaturate și microstructuri cu granulație-ultrafine care se află cu mult dincolo de starea de solidificare de echilibru. În schimb, tehnologia LDED-care folosește alimentarea simultană a pulberii împreună cu topirea cu laser-demonstrează avantaje unice în repararea pieselor deteriorate, fabricarea de-componente structurale la scară mare și producția de materiale gradate funcțional. Cu toate acestea, aliajele de aluminiu se confruntă cu o serie de provocări fizice-metalurgice inerente în timpul procesului de fabricație aditivă cu laser. Aliajele de aluminiu prezintă o reflectivitate de peste 90% față de laserele cu infraroșu apropiat (cu o lungime de undă de 1070 nm) la temperatura camerei; acest lucru are ca rezultat o eficiență de cuplare energetică extrem de scăzută, necesitând utilizarea laserelor cu densitate mare-putere- pentru a stabili un bazin de topire stabil. Mai mult, o peliculă densă de oxid (Al₂O₃) se formează cu ușurință pe suprafața aliajelor de aluminiu. Cu un punct de topire de 2072 de grade -semnificativ mai mare decât cel al matricei de aluminiu (660 de grade)-fragmentele acestui film de oxid deseori nu se topesc complet în bazinul de topire, servind frecvent ca locuri de nucleare pentru fisuri și surse de{32}}lipsă{32}}de{32}}de fuziune{32}}de defect. Cel mai critic, solubilitatea hidrogenului în aluminiu lichid (aproximativ 0,7 cm³/100g) este mult mai mare decât cea a aluminiului solid (aproximativ 0,04 cm³/100g). În timpul procesului de solidificare rapidă, atomilor de hidrogen suprasaturați le lipsește timp suficient pentru a se difuza; în schimb, se acumulează pe frontul de interfață solid-lichid pentru a forma nuclee cu bule de gaz, lăsând în urmă pori metalurgici cu diametrul de la câțiva microni la zeci de microni în microstructura solidificată. Între timp, intervalul larg de temperatură de solidificare a aliajelor de aluminiu (de exemplu, care depășește 150 de grade pentru Al7075) și contracția lor semnificativă de solidificare (aproximativ 6%) le fac foarte susceptibile la porozitatea de solidificare și fisurarea la cald odată ce canalele de alimentare de la coada bazinului de topire se închid. Aceasta constituie principala provocare cu care se confruntă aliajele de aluminiu de înaltă-seria 2xxx și 7xxx în timpul procesului LPBF. În plus, caracteristica ciclicului termic extrem al producției de aditivi cu laser-în care temperaturile topiturii localizate depășesc 2000 de grade, în timp ce pulberea și substratul din jur rămân între temperatura camerei și 200 de grade, rezultând gradienți de temperatură de până la 10⁶ K/m{{56}, generează un câmp de stres în complexul componentelor termice fabricate; dacă este lăsat necontrolat, acest lucru poate duce la deformare, deformare și chiar la crăpare inter-straturilor.
02 Proiectarea compoziției: La nivelul proiectării compoziției, sistemele de aliaje de aluminiu folosite în mod tradițional în turnare și forjare sunt adesea nepotrivite pentru fabricarea aditivă. Luând ca exemplu aliajul AlSi10Mg: în timp ce compoziția sa aproape-eutectică îi conferă o fluiditate excelentă în timpul turnării, în condițiile de solidificare rapidă a LPBF, rețeaua grosieră de faze eutectice de siliciu devine paradoxal o sursă de concentrare a tensiunilor. În plus, rezistența la tracțiune a aliajului la 300 de grade scade până la aproximativ 10% din rezistența sa la temperatură cameră--, fenomen atribuit îngroșării și dizolvării rapide a microstructurii eutectice la temperaturi ridicate. În consecință, dezvoltarea unor sisteme specializate de aliaje de aluminiu adaptate caracteristicilor unice ale producției aditive a devenit un punct cheie de cercetare în acest domeniu.
Cercetările efectuate de Institutul de Tehnologie Verde și Inteligentă Chongqing, Academia Chineză de Științe, dezvăluie că prin adăugarea unor urme de Sc (0,2–0,4% în greutate și Zr (0,1–0,3%) la aliajele pe bază de Al-Mg{-, la scară nanometrică Al₃(Sc,Zr) dețin o faze primare deținând faze primare. structura-poate fi formată *in situ* în timpul procesului de solidificare rapidă al Laser Powder Bed Fusion (LPBF). Această fază prezintă o nepotrivire a rețelei extrem de scăzută (aproximativ 1,3%) cu matricea -Al, servind astfel ca un sit de nucleare eterogen extrem de eficient care rafinează dimensiunea granulelor de la zeci de micrometri până la nivelul sub-micrometrului. Studiul observă în continuare că aliajul de Al{-Mg{-Mn{-Sc-Zr fabricat SLM-fabricat prezintă o structură caracteristică de granulație bimodală: marginile bazinului de topire prezintă o zonă de granulație echiaxială fină, cu o dimensiune medie de aproximativ 1,04 μm, în timp ce granulele coloanei sunt formate din centrul bazinului de topire. zonă-crește de-a lungul direcției de construcție-cu o dimensiune medie a granulelor de aproximativ 2,11 μm. Această structură de cereale eterogenă provine din variațiile spațiale ale gradienților de temperatură și densitățile de nucleare din bazinul de topire; în mod specific, marginile bazinului de topire sunt caracterizate de gradienți abrupti de temperatură și o îmbogățire a fazelor primare Al₃(Sc,Zr), care promovează nuclearea eterogenă, în timp ce centrul bazinului de topire prezintă un gradient de temperatură foarte direcțional care facilitează creșterea epitaxială a cristalelor de-a lungul direcției de disipare maximă a căldurii. În special, în timp ce Sc este un element costisitor (cu un preț de aproximativ 3.000 USD/kg), Zr este relativ ieftin (aproximativ 30 USD/kg); adăugarea combinată a acestor două elemente creează o structură de miez-cochilie-cuprinzând un miez Al₃Sc și o carcasă Al₃Zr-care nu numai că îmbunătățește semnificativ stabilitatea termică a fazelor de întărire, dar și reduce efectiv costul total al aliajului. Între timp, o echipă de la Universitatea Jiao Tong din Shanghai a propus o strategie alternativă de design inovatoare centrată pe o „nanoschelă eutectică deformabilă-transformabilă”. Selectând sistemul aproape-eutectic Al{-Er (12,7% în greutate Er) ca aliaj model, echipa a profitat de capacitatea lui Er de a forma o fază Al₃Er cu o structură L1₂ în combinație cu Al; această fază prezintă o nepotrivire a rețelei de numai 3,96% față de matricea -Al și este caracterizată printr-o abundență de sisteme de alunecare și o capacitate mare de înfrățire. În timpul procesului de imprimare LPBF, Al₃Er precipită sub forma unui schelet continuu, tridimensional, la scară nanometrică, constituind aproximativ 10,3 vol%. Acest schelet nu numai că este capabil să suporte tensiuni mari care depășesc 1300 MPa, dar facilitează și acomodarea plastică în timpul deformării prin formarea de gemeni de deformare și de 9R -stivuire cu perioade lungi-structuri ordonate-, răsturnând astfel fundamental noțiunea tradițională conform căreia scheletele eutectice sunt fragile. Aliajul de Al{{-Er{-Mg (RAE700) așa cum este imprimat (RAE700) prezintă o limită de curgere de 632 MPa, care crește în continuare la 707 MPa după tratamentul direct de îmbătrânire, menținând în același timp o alungire de 7–10%; aceste proprietăți cuprinzătoare le depășesc pe cele ale tuturor aliajelor de aluminiu imprimate-3D raportate anterior. În plus, o echipă de cercetare de la Universitatea Nagoya a dezvoltat o serie de aliaje de Al-Fe{-Mn{-Ti bazate pe o strategie de „control al partiționării elementare”. Prin adăugarea de Cu și Mn, ei au stabilizat cu succes faza Al₆Fe-transformând-o într-o fază de întărire benefică{-în timp ce au introdus simultan Ti, care se împarte în faza solidă pentru a induce rafinarea cerealelor (la aproximativ 2,3 μm). În consecință, aliajul atinge o rezistență la tracțiune la temperatura camerei de 390 MPa și o ductilitate de 14–17%; în mod semnificativ, proprietățile sale mecanice rămân practic neschimbate chiar și după expunerea termică la 300 de grade timp de 100 de ore.
03 Controlul procesului: Relația cantitativă dintre parametrii procesului și dinamica bazinului de topire este cheia pentru elucidarea mecanismelor care guvernează formarea microstructurii în fabricarea aditivă cu laser a aliajelor de aluminiu. Comportamentele dinamice ale fluidelor din bazinul de topire sunt determinate în mod colectiv de convecția Marangoni, presiunea de recul, flotabilitatea și forțele termocapilare. Printre acestea, forțele de forfecare Marangoni-care decurg din gradienții de tensiune superficială induși de gradienții de temperatură pe suprafața bazinului de topire-constituie forța dominantă care conduce fluxul de metal topit din centrul bazinului spre periferia acestuia. Dimpotrivă, presiunea de recul-generată de ejecția viguroasă a vaporilor de metal în gaura cheii-exercită o forță de compresie care împinge metalul topit spre fundul și pereții laterali ai gaurii cheii. Studiile indică faptul că densitatea de energie volumetrică (VED) servește ca metrică critică pentru determinarea tranzițiilor modului bazinului de topire: atunci când VED depășește aproximativ 60 J/mm³, presiunea de recul de evaporare devine suficientă pentru a genera o gaură de cheie în bazinul de topire cu un raport de aspect mai mare de 1, inițiind astfel „modul cheii”; invers, procesul operează în „modul de conducere”. Deși modul găurii cheii facilitează obținerea unei densități ridicate a materialului, în special oscilația instabilă a găurii cheii-, prăbușirea periodică a peretelui său frontal-constituie mecanismul principal pentru formarea porozității găurii cheii (porii de obicei 50-200 μm în diametru). Acești pori se caracterizează prin dimensiunea lor mare și morfologia neregulată, provocând un detriment semnificativ mai mare performanței la oboseală decât porii metalurgici la scară-fină. Cercetările efectuate la Universitatea Politehnică Northwestern au demonstrat că adăugarea unei cantități de urme (0,15% în greutate dintr-un rafinator de cereale Al-Nb{-B la aliajul de AlSi10Mg poate modula semnificativ tranziția-columnară la-echiaxială (CET). Acţionând ca situsuri de nucleare eterogene, particulele rezultate de NbB2 şi Al3Nb ridică fracţiunea de volum a boabelor echiaxiale de la mai puţin de 20% la peste 80%; concomitent, această intervenție reduce raportul de anizotropie plastică (definit ca raportul dintre alungirea longitudinală și transversală) de la 3,5 la 1,2, realizând astfel o stare de izotropie aproape completă. Caracteristicile evolutive ale defectelor de porozitate prezintă variații distincte între diferitele sisteme de aliaje de aluminiu: în aliajele din seria Al-Cu, intervalul larg de solidificare are ca rezultat creșterea rezistenței la curgere în zona mocioasă, făcând alimentarea eficientă (fluxul de topire compensator) mai dificilă; în consecință, fracția volumică a porilor metalurgici din aceste aliaje poate ajunge la 1–2%. În schimb, aliajele din seria Al-Si-datorită intervalului de solidificare îngust asociat cu compoziția lor eutectică-permit ca nivelurile de porozitate să fie controlate efectiv sub 0,1%. Formarea texturii cristalului este strâns legată de stratul{40}}prin comportamentul de-solidificare a stratului; când se utilizează o strategie de scanare unidirecțională de 0 grade, a<001>textura se dezvoltă de-a lungul direcției de construcție, rezultând o diferență de 10–20% între limitele de curgere în direcția longitudinală (direcția construcției) și transversală. În schimb, adoptarea unei strategii de scanare cu rotație de 67 de grade poate reduce intensitatea texturii la un nivel de orientare aleatorie, eliminând astfel anizotropia în proprietățile mecanice. În ceea ce privește performanța serviciului la temperatură înaltă-, aliajele de aluminiu fabricate aditiv prezintă un potențial unic de consolidare, alături de provocări specifice privind degradarea proprietăților. Un articol de recenzie al Universității Central South clasifică mecanismele de-întărire la temperaturi ridicate ale aliajelor de aluminiu fabricate aditiv, rezistente la căldură-, în trei căi de bază. În primul rând, efectul sinergetic cu mai multe-componente construiește o arhitectură multi-stratificată, stabilă termic prin încorporarea elementelor cu viteze de difuzie diferite. De exemplu, în aliajele Al-Ce{-Sc{-Zr, faza eutectică densă și uniformă Al₁₁Ce₃, combinată cu L1₂-Al₃(Sc,Zr) intragranulară precipită, creează un efect dual{18} de stres; acest lucru permite aliajului să păstreze o rezistență la tracțiune de 233 MPa la 300 de grade și 142 MPa la 400 de grade, fără o îngroșare semnificativă a granulelor observată chiar și după o expunere termică prelungită la 400 de grade timp de 96 de ore. În al doilea rând, întărirea intermetalice se bazează pe selectarea compușilor intermetalici cu coeficienți de difuzie scăzut și puncte de topire ridicate pentru a forma o structură scheletică rigidă la temperaturi ridicate. Constanta vitezei de îngroșare a fazei de Al₁₁Ce₃ la 400 de grade este de doar 1,6 nm³/s-semnificativ mai mică decât cea a fazei de Al₂Cu în aliajele tradiționale de Al{-Cu la aceeași temperatură (aproximativ 100 nm³/s); această stabilitate superioară-la temperatură ridicată îi permite primei să acționeze continuu ca o barieră eficientă în calea mișcării de dislocare. În al treilea rând, reglarea-la scară atomică inhibă îngroșarea prin introducerea de elemente de segregare la interfețele dintre fazele de consolidare și matrice. Studiile au demonstrat că elemente precum Sc, Zr, Si și Mn-care se segregă la interfața θ′{-Al₂Cu/ -Al{{-poate scădea energia interfațală și împiedica difuzia atomică, extinzând astfel intervalul de temperatură de serviciu de la 2xxx-gradurile tradiționale ale aliajelor de la grade-0502. grade și 300 de grade. Un studiu publicat în *Nature Communications*-condus de academicianul Lu Jian de la Universitatea City din Hong Kong în colaborare cu mai multe instituții-a făcut un pas semnificativ înainte prin utilizarea elementelor comune de impurități găsite în aliajele de aluminiu (Si, Fe, Mn și Ni) pentru a dezvolta un material rezistent la căldură- Al-7,44Si{-2,34Fe{-1,79Mn{-Aliaj 1,12Ni care nu conține nici metale prețioase, nici elemente de pământuri rare. În condiții de solidificare rapidă, acest aliaj suferă o segregare ne-echilibră, înglobând nanoprecipitate intermetalice multi-rezistente la căldură-ocupând o fracțiune de volum de până la 14%-la limitele celulei de solidificare, formând astfel o microstructură celulară stabilă termic. Fără a necesita nicio post-procesare, aliajul prezintă o rezistență la tracțiune la temperatura camerei de 582 MPa, cu rezistențe de 263 MPa și 114 MPa la 300 de grade și, respectiv, 400 de grade. Mai mult, studiul dezvăluie-pentru prima dată în aliajele de aluminiu-un mecanism de întărire condus de-amorfizarea în stare solidă: în timpul-deformării la temperatură înaltă, o parte din nanoprecipitatele intermetalice suferă o transformare amorfă în stare solidă (în cele din urmă formând o nanoparticulă de ordine +1₂). ′-(Ni,Fe)₃Al fază)" structură nanobifazică care oferă o cale suplimentară de disipare a energiei pentru propagarea fisurilor la temperatură înaltă.
