01 Súčasné výzvy: Vďaka svojej nízkej hustote, vysokej špecifickej pevnosti a vynikajúcej odolnosti proti korózii sa hliníkové zliatiny stali nepostrádateľnými konštrukčnými materiálmi v leteckom, automobilovom a energetickom sektore. S rastúcim dopytom v modernom priemysle po zložitých geometriách a vysokovýkonných ľahkých komponentoch však tradičné metódy odlievania a obrábania čelia zásadným obmedzeniam pri výrobe dielov so zložitými vnútornými kanálmi, mriežkovými štruktúrami a tenkostennými prvkami. Aditívne výrobné technológie-konkrétne Laser Powder Bed Fusion (LPBF) a Laser Directed Energy Deposition (LDED)-ponúkajú revolučné cesty na prekonanie týchto výrobných prekážok. Technológia LPBF vytvára zložité komponenty s hustotou presahujúcou 99,5 % selektívnym tavením vopred nanesených práškových vrstiev pomocou- vysokoenergetického laserového lúča a vytváraním štruktúry vrstvu po vrstve. S typickými rýchlosťami chladenia dosahujúcimi rádovo 10⁶ K/s tento proces umožňuje tvorbu presýtených tuhých roztokov a ultrajemnozrnných mikroštruktúr, ktoré sú ďaleko za rovnovážnym stavom tuhnutia. Naopak, technológia LDED,-ktorá využíva súčasné podávanie prášku spolu s tavením laserom,{16}}demonštruje jedinečné výhody pri opravách poškodených dielov, výrobe-veľkorozmerných konštrukčných komponentov a výrobe funkčne triedených materiálov. Napriek tomu sa hliníkové zliatiny počas procesu výroby laserových aditív stretávajú s radom fyzikálnych{19}}metalurgických problémov. Zliatiny hliníka vykazujú pri izbovej teplote odrazivosť viac ako 90 % voči blízkym -infračerveným laserom (s vlnovou dĺžkou 1070 nm); výsledkom je extrémne nízka účinnosť spojenia energie, čo si vyžaduje použitie laserov s vysokou -výkonnou-hustotou na vytvorenie stabilného bazénu taveniny. Okrem toho sa na povrchu hliníkových zliatin ľahko vytvára hustý oxidový film (Al203). S teplotou topenia 2072 stupňov -výrazne vyššou ako má hliníková matrica (660 stupňov)-úlomky tohto oxidového filmu sa často úplne neroztopia v tavenine, čo často slúži ako nukleačné miesta pre praskliny a zdroje nedostatku--chybných fúzií. Najkritickejšie 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 procesu tuhnutia nemajú presýtené vodíkové atómy dostatok času na difúziu; namiesto toho sa hromadia na prednej strane rozhrania tuhá látka{40}}kvapalina a vytvárajú zárodky plynových bublín, ktoré v konečnom dôsledku zanechávajú v stuhnutej mikroštruktúre metalurgické póry s priemerom od niekoľkých mikrónov do desiatok mikrónov. Medzitým, široký rozsah teplôt tuhnutia hliníkových zliatin (napr. presahujúci 150 stupňov pre Al7075) a ich významné zmrštenie tuhnutia (približne 6 %) ich robí vysoko náchylnými na pórovitosť tuhnutia a praskanie za tepla, keď sa prívodné kanály na konci tavného bazéna uzavrú. Toto predstavuje hlavnú výzvu, ktorej čelia-vysokopevné hliníkové zliatiny radu 2xxx a 7xxx počas procesu LPBF. Okrem toho charakteristika extrémneho tepelného cyklovania pri výrobe laserových aditív,-kde teploty lokálneho roztaveného bazéna presahujú 2000 stupňov, zatiaľ čo okolitý prášok a substrát zostávajú medzi izbovou teplotou a 200 stupňami, čo vedie k teplotným gradientom vysokým až 10⁶K/m-vytvára komplexné pole tepelného napätia vo vyrobených komponentoch; ak sa to nekontroluje, môže to viesť k deformácii, deformácii a dokonca k praskaniu medzi{57}}vrstvami.
02 Dizajn zloženia: Na úrovni návrhu zloženia sú systémy hliníkových zliatin tradične používané pri odlievaní a kovaní často nevhodné na aditívnu výrobu. Ako príklad uvedieme zliatinu AlSi10Mg: zatiaľ čo jej takmer-eutektické zloženie jej dodáva vynikajúcu tekutosť počas odlievania, v podmienkach rýchleho tuhnutia LPBF sa hrubá sieť eutektických kremíkových fáz paradoxne stáva zdrojom 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 zvýšených teplotách. V dôsledku toho sa vývoj špecializovaných systémov hliníkových zliatin prispôsobených jedinečným vlastnostiam aditívnej výroby ukázal ako kľúčový výskumný bod v tejto oblasti.
Výskum uskutočnený Chongqingským inštitútom zelenej a inteligentnej technológie Čínskej akadémie vied odhaľuje, že pridaním stopových množstiev Sc (0,2 – 0,4 % hmotn.) a Zr (0,1 – 0,3 % hmotn.) do zliatin na báze Al-Mg-, Al₃ (Sc,Zr) v nanometroch môžu byť usporiadané ako primárna štruktúra L8{}}{6} *in situ* počas rýchleho procesu tuhnutia laserom powder Bed Fusion (LPBF). Táto fáza vykazuje extrémne nízky nesúlad mriežky (približne 1,3 %) s -Al matricou, čím slúži ako vysoko účinné heterogénne nukleačné miesto, ktoré spresňuje veľkosť zŕn od desiatok mikrometrov až po sub{12}}mikrometrovú úroveň. Štúdia ďalej poznamenáva, že zliatina SLM-vyrobená Al-Mg-Mn{17}}Sc-Zr má charakteristickú bimodálnu štruktúru zŕn: okraje taveniny majú jemnú rovnoosú zrnovú zónu s priemernou veľkosťou zrna približne 1,04 μm stĺpca pozdĺž 20 μm, zatiaľ čo stred zrnitosti{17}} 20μm taveniny} smer budovania-s priemernou veľkosťou zrna približne 2,11 μm. Táto heterogénna štruktúra zŕn pramení z priestorových variácií teplotných gradientov a hustôt nukleácie v tavenine; konkrétne okraje taveniny sú charakterizované strmými teplotnými gradientmi a obohatením primárnych fáz Al3(Sc,Zr), čo podporuje heterogénnu nukleáciu, zatiaľ čo stred taveniny vykazuje vysoko smerový teplotný gradient, ktorý uľahčuje epitaxný rast kryštálov v smere maximálneho rozptylu tepla. Je pozoruhodné, že zatiaľ čo Sc je nákladný prvok (cena približne 3 000 USD/kg), Zr je relatívne lacný (približne 30 USD/kg); kombinovaným pridaním týchto dvoch prvkov vzniká jadro{28}}štruktúra plášťa{29}}pozostávajúca z jadra Al₃Sc a plášťa Al₃Zr{30}}, ktorá nielenže výrazne zvyšuje tepelnú stabilitu fáz spevňovania, ale tiež účinne znižuje celkové náklady na zliatinu. Medzitým tím z Shanghai Jiao Tong University navrhol alternatívnu inovatívnu dizajnovú stratégiu zameranú na „deformovateľné-transformovateľné eutektické nanoslešenie“. Tým, že ako modelovú zliatinu vybral takmer-eutektický Al{35}}Er systém (12,7 % hmotn. Er), využil tím schopnosť Er vytvoriť fázu Al₃Er so štruktúrou L1₂ v spojení s Al; táto fáza vykazuje nesúlad mriežky iba 3,96 % v porovnaní s -Al matricou a je charakterizovaná množstvom systémov sklzu a vysokou kapacitou pre dvojčatie. Počas procesu tlače LPBF sa Al₃Er vyzráža vo forme kontinuálnej trojrozmernej nanorozmernej kostry, ktorá tvorí približne 10,3 obj. %. Táto kostra je nielen schopná vydržať vysoké napätia presahujúce 1300 MPa, ale tiež uľahčuje plastickú akomodáciu počas deformácie prostredníctvom vytvárania deformačných dvojčiat a 9R dlho{46}}skladacích-usporiadaných štruktúr-, čím zásadne prevracia tradičnú predstavu, že eutektické kostry sú vo svojej podstate krehké. Ako-vytlačená zliatina Al-Er-Mg (RAE700) vykazuje medzu klzu 632 MPa, ktorá sa po priamom spracovaní starnutím ďalej zvyšuje na 707 MPa pri súčasnom zachovaní predĺženia 7–10 %; tieto komplexné vlastnosti prevyšujú vlastnosti všetkých predtým ohlásených 3D-tlačených hliníkových zliatin. Okrem toho výskumný tím na univerzite v Nagoyi vyvinul sériu zliatin Al-Fe-Mn-Ti na základe stratégie „kontroly elementárneho rozdeľovania“. Pridaním Cu a Mn úspešne stabilizovali fázu Al₆Fe-premenili ju na prospešnú spevňujúcu fázu-a súčasne zavádzali Ti, ktorý sa rozdeľuje do pevnej fázy, aby vyvolal zjemnenie zrna (na približne 2,3 μm). V dôsledku toho zliatina dosahuje pevnosť v ťahu pri izbovej teplote 390 MPa a ťažnosť 14–17 %; výrazne, jeho mechanické vlastnosti zostávajú prakticky nezmenené aj po tepelnej expozícii pri 300 stupňoch počas 100 hodín.
03 Riadenie procesu: Kvantitatívny vzťah medzi parametrami procesu a dynamikou taveniny je kľúčom k objasneniu mechanizmov, ktorými sa riadi tvorba mikroštruktúr pri výrobe hliníkových zliatin laserom. Dynamické správanie tekutín v tavenine je poháňané spoločne Marangoniho konvekciou, tlakom spätného rázu, vztlakom a termokapilárnymi silami. Medzi nimi Marangoniho šmykové sily-vznikajúce z gradientov povrchového napätia vyvolaných teplotnými gradientmi na povrchu tavného bazéna-predstavujú dominantnú silu poháňajúcu tok roztaveného kovu zo stredu bazéna smerom k jeho okraju. Naopak, spätný ráz-vytváraný prudkým vyvrhovaním kovových pár v kľúčovej dierke-vyvíja tlakovú silu, ktorá tlačí roztavený kov smerom ku dnu a bočným stenám kľúčovej dierky. Štúdie ukazujú, že objemová hustota energie (VED) slúži ako kritická metrika na určenie prechodov medzi režimami bazénu taveniny: keď VED prekročí približne 60 J/mm³, tlak spätného vyparovania bude dostatočný na vytvorenie kľúčovej dierky v bazéne taveniny s pomerom strán väčším ako 1, čím sa spustí „režim kľúčovej dierky“; naopak, proces funguje v "režime vedenia". Hoci režim kľúčovej dierky uľahčuje dosiahnutie vysokej hustoty materiálu, nestabilné kmitanie kľúčovej dierky{12}}konkrétne, periodické zrútenie jej prednej steny{13}}predstavuje primárny mechanizmus tvorby pórovitosti kľúčovej dierky (póry zvyčajne s priemerom 50 – 200 μm). Tieto póry sú charakteristické svojou veľkou veľkosťou a nepravidelnou morfológiou, čo spôsobuje výrazne väčšie poškodenie únavového výkonu ako jemné metalurgické póry-. Výskum uskutočnený na Northwestern Polytechnical University ukázal, že pridanie stopového množstva (0,15 % hmotn.) zjemňovača zŕn Al-Nb-B do zliatiny AlSi10Mg môže významne modulovať stĺpcový-k{24}}rovnoosý prechod (CET). Výsledné častice NbB2 a Al3Nb, ktoré pôsobia ako heterogénne nukleačné miesta, zvyšujú objemový podiel rovnoosých zŕn z menej ako 20 % na viac ako 80 %; súčasne tento zásah znižuje pomer plastickej anizotropie (definovaný ako pomer pozdĺžneho k priečnemu predĺženiu) z 3,5 na 1,2, čím sa dosiahne stav takmer úplnej izotropie. Evolučné charakteristiky defektov pórovitosti vykazujú zreteľné variácie v rôznych systémoch hliníkových zliatin: v zliatinách série Al-Cu má široký rozsah tuhnutia za následok zvýšený odpor toku v kašovitej zóne, čím je efektívne kŕmenie (kompenzačný tok taveniny) náročnejšie; v dôsledku toho môže objemový podiel metalurgických pórov v týchto zliatinách dosiahnuť 1–2 %. Naproti tomu zliatiny Al-Si série-vďaka úzkemu rozsahu tuhnutia spojenému s ich eutektickým zložením-umožňujú efektívne kontrolovať úrovne pórovitosti pod 0,1 %. Tvorba kryštálovej textúry je úzko spätá s vrstvou--tuhnutím vrstvy; keď sa použije stratégia jednosmerného skenovania 0 stupňov, a<001>textúra sa vyvíja v smere stavby, čo vedie k rozdielu 10–20 % medzi medzami klzu v pozdĺžnom (smere stavby) a priečnom smere. Naopak, prijatie 67-stupňovej rotačnej skenovacej stratégie môže znížiť intenzitu textúry na úroveň náhodnej orientácie, čím sa v podstate eliminuje anizotropia mechanických vlastností. Čo sa týka výkonu pri prevádzke pri vysokých{5}}teplotách, aditívne vyrábané hliníkové zliatiny vykazujú jedinečný potenciál na spevnenie popri špecifických výzvach týkajúcich sa degradácie vlastností. Prehľadový článok Central South University kategorizuje mechanizmy vysokoteplotného spevňovania tepelne-aditívne vyrábaných hliníkových zliatin do troch základných dráh. Po prvé, viaczložkový synergický efekt vytvára viacvrstvovú, tepelne stabilnú architektúru začlenením prvkov s rôznou rýchlosťou difúzie. Napríklad v zliatinách Al-Ce{14}}Sc-Zr vytvára hustá a rovnomerná eutektická fáza Al₁₁Ce₃ v kombinácii s intragranulárnymi zrazeninami L1₂-Al₃(Sc,Zr) efekt dvojitej pevnosti{18}; to umožňuje, aby si zliatina zachovala pevnosť v ťahu 233 MPa pri 300 stupňoch a 142 MPa pri 400 stupňoch, pričom sa nepozorovalo žiadne výrazné zhrubnutie zrna ani po dlhšom tepelnom vystavení pri 400 stupňoch počas 96 hodín. Po druhé, intermetalické spevnenie závisí od výberu intermetalických zlúčenín s nízkymi difúznymi koeficientmi a vysokými teplotami topenia, aby sa vytvorila tuhá skeletová štruktúra pri zvýšených teplotách. Rýchlostná konštanta hrubnutia fázy Al₁₁Ce₃ pri 400 stupňoch je iba 1,6 nm3/s{29}}, čo je výrazne nižšia hodnota ako v prípade fázy Al₂Cu v tradičných zliatinách Al{30}}Cu pri rovnakej teplote (približne 100 nm3/s); táto vynikajúca stabilita pri vysokých{32}}teplotách umožňuje, aby prvý z nich nepretržite pôsobil ako účinná bariéra pre pohyb dislokácie. Po tretie, atómová-regulácia vodného kameňa bráni zhrubnutiu zavedením segregačných prvkov na rozhrania medzi spevňujúcimi fázami a matricou. Štúdie ukázali, že prvky ako Sc, Zr, Si a Mn-ktoré segregujú na rozhraní θ′-Al₂Cu/ -Al- môžu znížiť medzipovrchovú energiu a brániť atómovej difúzii, čím sa rozsah prevádzkových teplôt 2xxxsegreguje z tradičných zliatin medzi 2xxx{41} 250 stupňov a 300 stupňov. Štúdia publikovaná v *Nature Communications*-pod vedením akademika Lu Jiana z City University of Hong Kong v spolupráci s viacerými inštitúciami{47}}urobila významný krok vpred tým, že využila bežné nečistoty nachádzajúce sa v hliníkových zliatinách (Si, Fe, Mn a Ni) na vývoj tepelne-odolnej Al-7,44Si-2,34Fe-1,79Mn-1,12Ni zliatina, ktorá neobsahuje drahé kovy ani prvky vzácnych zemín. V podmienkach rýchleho tuhnutia táto zliatina podlieha -nerovnovážnej segregácii, pričom sa vkladajú tepelne -odolné viac{62}}zložkové intermetalické nanoprecipitáty-zaberajúce objemový podiel až 14 %-na hraniciach buniek tuhnutia, čím sa vytvára bunková mikroštruktúra, ktorá je tepelne stabilná. Bez toho, aby bolo potrebné dodatočné{71}}spracovanie, zliatina vykazuje pevnosť v ťahu pri izbovej teplote 582 MPa, s pevnosťami 263 MPa a 114 MPa pri 300 stupňoch a 400 stupňoch. Štúdia navyše odhaľuje-prvýkrát v hliníkových zliatinách-mechanizmus tvrdnutia poháňaný amorfizáciou v pevnom stave: počas vysokoteplotnej deformácie časť intermetalických nanoprecipitátov prechádza amorfnou transformáciou v tuhom stave, čím sa nakoniec vytvorí „amorfný + nanočasticový Nanodvojfázová štruktúra ′-(Ni,Fe)₃Al fáza)“, ktorá poskytuje dodatočnú dráhu rozptylu energie na šírenie trhlín pri vysokej teplote.
