01 Výzvy éry - Vďaka svojej nízkej hustote, vysokej špecifickej pevnosti a vynikajúcej odolnosti proti korózii sa hliníkové zliatiny stali nepostrádateľnými konštrukčnými materiálmi v leteckom a kozmickom priemysle, v automobilovom priemysle a v sektoroch energetických zariadení. Keďže však dopyt moderného priemyslu po zložitých geometriách a vysokom-výkone, návaly ľahkých komponentov, tradičné metódy odlievania a obrábania čelia zásadným obmedzeniam pri výrobe dielov so zložitými vnútornými kanálmi, mriežkovými štruktúrami a tenkostennými-prvkami. Technológie aditívnej výroby-konkrétne Laser Powder Bed Fusion (LPBF) a Laser Directed Energy Deposition (LDED)-ponúkajú revolučné cesty na prekonanie týchto výrobných prekážok. Technológia LPBF využíva-vysokoenergetický laserový lúč na selektívne roztavenie vopred nanesených práškových vrstiev, čím sa vytvárajú zložité komponenty s hustotou presahujúcou 99,5 % vrstvu po vrstve; s typickými rýchlosťami ochladzovania dosahujúcimi rádovo 10⁶ K/s dokáže produkovať presýtené tuhé roztoky a ultrajemnozrnné mikroštruktúry, ktoré sú ďaleko od rovnovážnych stavov tuhnutia. Medzitým technológia LDED využívajúca synchrónne podávanie prášku a tavenie laserom demonštruje jedinečné výhody pri opravách poškodených dielov a výrobe veľkorozmerných konštrukčných komponentov, ako aj materiálov s triedeným zložením. Napriek tomu sa hliníkové zliatiny počas výroby laserových aditív stretávajú s radom vnútorných fyzikálnych{17}metalurgických problémov. Pri izbovej teplote vykazujú hliníkové zliatiny odrazivosť presahujúcu 90 % pre blízke-infračervené lasery (vlnová dĺžka: 1070 nm), čo má za následok extrémne nízku účinnosť väzby energie a na vytvorenie stabilnej taveniny sú potrebné lasery s vysokou-výkonnou{23}}hustotou. Povrchy hliníkových zliatin ľahko vytvárajú hustý oxidový film (Al2O3) s teplotou topenia 2072 stupňov -, ktorá je výrazne vyššia ako teplota topenia 660 stupňov hliníkovej matrice; fragmenty tohto oxidového filmu sa často úplne neroztopia v tavenine, čo často slúži ako iniciačné miesta pre praskliny a chýbajúce-chyby-fúzie. Ešte kritickejšie je, že rozpustnosť vodíka v tekutom hliníku (približne . 0.7 cm³/100 g) je oveľa vyššia ako v pevnom hliníku (približne . 0.04 cm³/100 g); počas rýchleho tuhnutia sa presýtené vodíkové atómy nedokážu včas rozptýliť a namiesto toho sa hromadia na rozhraní tuhá látka{35}}kvapalina za vzniku bublín, ktoré v konečnom dôsledku zanechávajú v stuhnutej mikroštruktúre metalurgické póry s priemerom od niekoľkých do niekoľkých desiatok mikrometrov. Medzitým, široký rozsah teplôt tuhnutia (napr. presahujúci 150 stupňov pre Al7075) a významné zmrštenie tuhnutia (približne 6 %) hliníkových zliatin ich robí vysoko náchylnými na pórovitosť tuhnutia, zmrašťovanie a praskanie za horúca, keď sa prívodné kanály uzavrú počas záverečných fáz tuhnutia taveniny; tieto problémy predstavujú hlavné výzvy pri spracovaní LPBF vysokopevnostných hliníkových zliatin radu 2xxx a 7xxx. Charakteristiky extrémnych tepelných cyklov, ktoré sú vlastné výrobe laserových aditív,-zahŕňajúce lokalizované teploty taveniny presahujúce 2 000 stupňov spolu s okolitými teplotami prášku a substrátu v rozsahu od izbovej teploty do 200 stupňov, čo vedie k teplotným gradientom vysokým až 10⁶ K/m-vytvára komplexné pole tepelného napätia v komponente; ak sa tieto napätia nekontrolujú, môžu viesť k deformácii, deformácii alebo dokonca praskaniu medzivrstvy.
02 Dizajn zloženia - Na úrovni návrhu zloženia sú zliatinové systémy tradične používané na odlievanie a kovanie často nevhodné na aditívnu výrobu. Ak vezmeme ako príklad zliatinu AlSi10Mg, jej takmer-eutektické zloženie poskytuje vynikajúcu tekutosť počas odlievania; avšak v podmienkach rýchleho tuhnutia LPBF pôsobí hrubá eutektická sieť kremíkovej fázy ako zdroj koncentrácie napätia. Okrem toho pevnosť v ťahu zliatiny pri 300 stupňoch prudko klesá na približne 10 % jej pevnosti pri izbovej -teplote-, čo je jav, ktorý sa pripisuje rýchlemu zhrubnutiu a rozpúšťaniu eutektickej mikroštruktúry pri vysokých teplotách. V dôsledku toho sa vývoj špecializovaných systémov zloženia hliníkových zliatin prispôsobených charakteristikám aditívnej výroby stal kľúčovým zameraním výskumu v tejto oblasti.
Výskum Chongqing Institute of Green and Intelligent Technology, Čínska akadémia vied, odhaľuje, že pridanie stopových množstiev Sc (0,2 – 0,4 % hmotn.) a Zr (0,1 – 0,3 % hmotn. %) do zliatin Al-Mg umožňuje *in situ* tvorbu primárneho Al₃ (Sc,Zr₂) usporiadaného nanometrového procesu práškovej štruktúry L1 Fusion laserového procesu rýchleho procesu L1 Fusion Laser. (LPBF). Tieto fázy vykazujú extrémne nízky nesúlad mriežky (približne 1,3 %) s -Al matricou a slúžia ako vysoko účinné heterogénne nukleačné miesta, ktoré zjemňujú veľkosti zŕn od desiatok mikrometrov až po sub{9}}mikrometrovú škálu. Štúdia naznačuje, že zliatina -Al-Mg-Mn-Sc-Zr vykazuje charakteristickú bimodálnu štruktúru zŕn: oblasť jemných rovnoosých zŕn (priemerná veľkosť ~1,04 μm) na okrajoch taveniny a oblasť s priemernou veľkosťou 1 μm v smere rastu stĺpcových zŕn ~1 μm centrum tavného bazéna. Táto heterogénna štruktúra zŕn vzniká z priestorových zmien teplotných gradientov a hustôt nukleácie v tavenine; okraje sa vyznačujú vysokými teplotnými gradientmi a obohatením primárnych Al3(Sc,Zr) fáz, ktoré podporujú heterogénnu nukleáciu, zatiaľ čo stred je charakterizovaný silne smerovým teplotným gradientom, ktorý podporuje epitaxný rast kryštálov v smere maximálneho rozptylu tepla. Je pozoruhodné, že kým Sc je drahý (približne 3 000 USD/kg), Zr je relatívne lacný (približne 30 USD/kg); kombinované pridanie týchto prvkov vytvára štruktúru Al₃Sc-jadro/Al₃Zr-škrupina, ktorá nielenže výrazne zvyšuje tepelnú stabilitu spevňujúcich fáz, ale tiež účinne znižuje náklady na zliatinu. Medzitým tím z Shanghai Jiao Tong University navrhol inovatívnu dizajnovú stratégiu založenú na deformovateľnom-transformovateľnom eutektickom nanoslešení. Ako modelovú zliatinu vybrali takmer-eutektický systém Al{31}}Er (12,7 hm. % Er) využívajúci tvorbu L1₂-štruktúrovanej fázy Al₃Er-, ktorá vykazuje nesúlad mriežky iba 3,96 % so systémami {{37} s dvojitým uzáverom a dvojitým uzáverom Počas procesu tlače LPBF sa Al₃Er vyzráža s objemovým podielom približne 10,3 % vo forme kontinuálnej 3D nano-kostra; táto kostra nielenže odoláva vysokému namáhaniu presahujúcemu 1300 MPa, ale tiež uľahčuje plastickú akomodáciu počas deformácie prostredníctvom vytvárania deformačných dvojčiat a 9R dlhých-skladacích usporiadaných štruktúr, čím zásadne prevracia konvenčný názor, že eutektické kostry sú vo svojej podstate krehké. Ako-vytlačená zliatina Al-Er-Mg (RAE700) vykazuje medzu klzu 632 MPa, ktorá sa po priamom starnutí zvýši na 707 MPa pri zachovaní predĺženia 7–10 %, čo vedie k komplexnému výkonnostnému profilu, ktorý prevyšuje všetky predtým uvádzané 3D hliníkové zliatiny s potlačou.{55} Okrem toho výskumný tím na univerzite v Nagoyi vyvinul sériu zliatin Al-Fe-Mn-Ti založenú na stratégii „riadenia rozdeľovania prvkov“; pridaním Cu a Mn na stabilizáciu fázy Al₆Fe a jej premenu na prospešnú spevňujúcu fázu-za súčasného zavedenia Ti, ktorý sa rozdelí do pevnej fázy na zjemnenie zŕn na približne 2,3 μm-zliatina dosiahne vlastnosti pevnosti v ťahu pri izbovej-teplote 390 MPa a 14–17 % zostávajúcich hodín prakticky nezmenených tepelná expozícia pri 300 stupňoch.
