01 Współczesne wyzwania: Ze względu na niską gęstość, wysoką wytrzymałość właściwą i doskonałą odporność na korozję, stopy aluminium stały się niezbędnymi materiałami konstrukcyjnymi w sektorach lotniczym, motoryzacyjnym i sprzętu energetycznego. Jednak wraz z rosnącym zapotrzebowaniem współczesnego przemysłu na złożone geometrie i-lekkie komponenty o wysokiej wydajności, tradycyjne metody odlewania i obróbki napotykają fundamentalne ograniczenia w przypadku wytwarzania części zawierających skomplikowane kanały wewnętrzne, struktury siatkowe i elementy cienkościenne. Technologie wytwarzania przyrostowego-w szczególności laserowa fuzja proszków (LPBF) i osadzanie energii kierowanej laserem (LDED)-oferują rewolucyjne ścieżki przezwyciężenia wąskich gardeł produkcyjnych. Technologia LPBF umożliwia konstruowanie złożonych komponentów o gęstości przekraczającej 99,5% poprzez selektywne topienie-wcześniej osadzonych warstw proszku za pomocą-wysokoenergetycznej wiązki lasera, budując strukturę warstwa po warstwie. Przy typowych szybkościach chłodzenia rzędu 10⁶ K/s proces ten umożliwia tworzenie przesyconych roztworów stałych i ultradrobno-ziarnistych mikrostruktur, które leżą daleko poza równowagowym stanem krzepnięcia. Z drugiej strony technologia LDED,-która obejmuje jednoczesne podawanie proszku i stapianie laserowe,- wykazuje wyjątkowe zalety w naprawie uszkodzonych części, wytwarzaniu-komponentów konstrukcyjnych na dużą skalę oraz produkcji materiałów o klasach funkcjonalnych. Niemniej jednak stopy aluminium napotykają szereg nieodłącznych wyzwań fizycznych-metalurgicznych podczas procesu wytwarzania przyrostowego laserem. Stopy aluminium wykazują współczynnik odbicia ponad 90% w kierunku laserów bliskiej-podczerwieni (o długości fali 1070 nm) w temperaturze pokojowej; skutkuje to wyjątkowo niską wydajnością sprzęgania energii, co wymaga użycia laserów o dużej-mocy-gęstości w celu ustalenia stabilnego jeziorka stopu. Ponadto na powierzchni stopów aluminium łatwo tworzy się gęsta warstwa tlenku (Al₂O₃). Przy temperaturze topnienia 2072 stopni, -znacznie wyższej niż temperatura osnowy aluminiowej (660 stopni)-fragmenty tej warstwy tlenku często nie topią się całkowicie w jeziorku stopu, często służąc jako miejsca zarodkowania pęknięć i źródła braku-defektów{{33}fuzji. Co najważniejsze, rozpuszczalność wodoru w ciekłym aluminium (około 0,7 cm3/100 g) jest znacznie wyższa niż w stałym aluminium (około 0,04 cm3/100 g). Podczas szybkiego procesu krzepnięcia przesyconym atomom wodoru brakuje czasu na dyfuzję; zamiast tego gromadzą się na granicy faz-ciało stałe, tworząc jądra pęcherzyków gazu, ostatecznie pozostawiając w zestalonej mikrostrukturze pory metalurgiczne o średnicy od kilku mikronów do kilkudziesięciu mikronów. Tymczasem szeroki zakres temperatur krzepnięcia stopów aluminium (np. przekraczający 150 stopni dla Al7075) i ich znaczny skurcz podczas krzepnięcia (około 6%) sprawiają, że są one bardzo podatne na porowatość podczas krzepnięcia i pękanie na gorąco po zamknięciu kanałów zasilających na końcu jeziorka wytopu. Stanowi to główne wyzwanie, przed którym stoją-wysokowytrzymałe stopy aluminium serii 2xxx i 7xxx w procesie LPBF. Co więcej, charakterystyczne dla ekstremalnych cykli cieplnych charakterystyczne dla wytwarzania przyrostowego laserem-w którym temperatura miejscowego jeziorka stopu przekracza 2000 stopni, podczas gdy otaczający proszek i podłoże pozostają w temperaturze pomiędzy temperaturą pokojową a 200 stopni, co skutkuje gradientami temperatury sięgającymi 10⁶ K/m-generuje złożone pole naprężeń termicznych w wytwarzanych komponentach; niekontrolowane może to prowadzić do wypaczeń, deformacji, a nawet{57}pęknięć międzywarstwowych.
02 Projektowanie składu: Na poziomie projektowania składu systemy stopów aluminium tradycyjnie stosowane w odlewaniu i kuciu często nie nadają się do wytwarzania przyrostowego. Biorąc za przykład stop AlSi10Mg: chociaż jego prawie-eutektyczny skład zapewnia mu doskonałą płynność podczas odlewania, w warunkach szybkiego krzepnięcia LPBF, gruboziarnista sieć eutektycznych faz krzemu paradoksalnie staje się źródłem koncentracji naprężeń. Co więcej, wytrzymałość stopu na rozciąganie przy 300 stopniach spada do około 10% jego wytrzymałości w-pokojowej temperaturze-, co jest zjawiskiem przypisywanym szybkiemu gruboziarnistości i rozpuszczaniu mikrostruktury eutektycznej w podwyższonych temperaturach. W rezultacie rozwój wyspecjalizowanych systemów stopów aluminium dostosowanych do unikalnych cech wytwarzania przyrostowego stał się kluczowym punktem badawczym w tej dziedzinie.
Badania przeprowadzone przez Instytut Zielonych i Inteligentnych Technologii w Chongqing Chińskiej Akademii Nauk pokazują, że dodając śladowe ilości Sc (0,2–0,4% wag.) i Zr (0,1–0,3% wag.) do stopów na bazie Al-Mg-, można utworzyć fazy pierwotne Al₃(Sc, Zr) w nanoskali-o uporządkowanej strukturze L1₂- *in situ* podczas szybkiego procesu krzepnięcia laserowego łoża proszkowego (LPBF). Faza ta wykazuje wyjątkowo niskie niedopasowanie sieci (około 1,3%) z matrycą -Al, służąc w ten sposób jako wysoce wydajne heterogeniczne miejsce zarodkowania, które poprawia wielkość ziaren od dziesiątek mikrometrów do poziomu sub-mikrometra. W badaniu zauważono ponadto, że wytwarzany przez SLM-stop Al-Mg-Mn-Sc-Zr ma charakterystyczną bimodalną strukturę ziaren: na krawędziach jeziorka znajduje się drobnorównoosiowa strefa ziaren o średniej wielkości ziaren około 1,04 μm, podczas gdy środek jeziorka składa się z kolumnowej strefy ziaren-rosnącej wzdłuż konstrukcji kierunku-o średniej wielkości ziaren około 2,11 μm. Ta niejednorodna struktura ziaren wynika z przestrzennych zmian gradientów temperatury i gęstości zarodkowania w jeziorku stopu; w szczególności krawędzie jeziorka charakteryzują się stromymi gradientami temperatury i wzbogaceniem faz pierwotnych Al₃(Sc,Zr), co sprzyja heterogenicznemu zarodkowaniu, podczas gdy środek jeziorka charakteryzuje się silnie kierunkowym gradientem temperatury, który ułatwia epitaksjalny wzrost kryształów wzdłuż kierunku maksymalnego rozpraszania ciepła. Warto zauważyć, że podczas gdy Sc jest pierwiastkiem kosztownym (cena około 3000 USD/kg), Zr jest stosunkowo niedrogi (około 30 USD/kg); połączone dodanie tych dwóch pierwiastków tworzy rdzeń-powłokę-składającą się z rdzenia Al₃Sc i powłoki Al₃Zr-, która nie tylko znacznie zwiększa stabilność termiczną faz wzmacniających, ale także skutecznie zmniejsza całkowity koszt stopu. Tymczasem zespół z Uniwersytetu Jiao Tong w Szanghaju zaproponował alternatywną, innowacyjną strategię projektowania skupioną na „odkształcalnym-przekształcalnym eutektycznym nanoszkielecie”. Wybierając prawie-eutektyczny system Al-Er (12,7% wag. Er) jako stop modelowy, zespół wykorzystał zdolność Er do tworzenia fazy Al₃Er o strukturze L1₂ w połączeniu z Al; faza ta wykazuje niedopasowanie sieci wynoszące jedynie 3,96% w stosunku do osnowy -Al i charakteryzuje się dużą liczbą systemów poślizgu i dużą zdolnością do bliźniakowania. Podczas procesu drukowania LPBF Al₃Er wytrąca się w postaci ciągłego, trójwymiarowego-szkieletu w nanoskali, stanowiącego około 10,3% obj. Szkielet ten jest nie tylko w stanie wytrzymać wysokie naprężenia przekraczające 1300 MPa, ale także ułatwia akomodację plastyczną podczas odkształcania poprzez tworzenie bliźniaków odkształcenia i uporządkowanych struktur o długości-okresów 9R-, zasadniczo obalając w ten sposób tradycyjne przekonanie, że szkielety eutektyczne są z natury kruche. Wydrukowany stop Al-Er-Mg (RAE700) wykazuje granicę plastyczności 632 MPa, która po bezpośrednim starzeniu wzrasta do 707 MPa, przy jednoczesnym zachowaniu wydłużenia na poziomie 7–10%; te wszechstronne właściwości przewyższają wszystkie wcześniej opisane-stopy aluminium drukowane w 3D. Co więcej, zespół badawczy na Uniwersytecie w Nagoya opracował serię stopów Al-Fe-Mn-Ti w oparciu o strategię „kontroli podziału pierwiastków”. Dodając Cu i Mn, skutecznie ustabilizowali fazę Al₆Fe-przekształcając ją w korzystną fazę wzmacniającą-jednocześnie wprowadzając Ti, który przechodzi do fazy stałej, powodując rozdrobnienie ziaren (do około 2,3 μm). W rezultacie stop osiąga-wytrzymałość na rozciąganie w temperaturze pokojowej wynoszącą 390 MPa i plastyczność 14–17%; co istotne, jego właściwości mechaniczne pozostają praktycznie niezmienione nawet po ekspozycji termicznej w temperaturze 300 stopni przez 100 godzin.
03 Kontrola procesu: Ilościowa zależność między parametrami procesu a dynamiką jeziorka jest kluczem do wyjaśnienia mechanizmów rządzących tworzeniem mikrostruktury w laserowym wytwarzaniu przyrostowym stopów aluminium. Dynamika płynów w jeziorku jest napędzana łącznie przez konwekcję Marangoniego, ciśnienie odrzutu, wyporność i siły termokapilarne. Wśród nich siły ścinające Marangoniego-wynikające z gradientów napięcia powierzchniowego wywołanych gradientami temperatury na powierzchni jeziorka ze stopionym materiałem-stanowią dominującą siłę napędzającą przepływ stopionego metalu ze środka jeziorka w kierunku jego obrzeża. I odwrotnie, ciśnienie odrzutu-wytwarzane przez energiczne wyrzucanie par metalu w dziurkę od klucza-wywiera siłę ściskającą, która popycha stopiony metal w kierunku dna i bocznych ścian dziurki od klucza. Badania wskazują, że objętościowa gęstość energii (VED) służy jako krytyczna metryka przy określaniu przejść stanu jeziorka wytopu: gdy VED przekracza około 60 J/mm3, ciśnienie odrzutu parowania staje się wystarczające, aby wytworzyć dziurkę od klucza w jeziorku wytopu o współczynniku kształtu większym niż 1, inicjując w ten sposób „tryb dziurki od klucza”; i odwrotnie, proces działa w „trybie przewodzenia”. Chociaż tryb dziurki od klucza ułatwia osiągnięcie dużej gęstości materiału, to niestabilne oscylacje dziurki od klucza-w szczególności okresowe zapadanie się jej przedniej ściany-stanowi główny mechanizm powstawania porowatości dziurki od klucza (pory mają zazwyczaj średnicę 50–200 μm). Pory te charakteryzują się dużym rozmiarem i nieregularną morfologią, co powoduje znacznie większe szkody dla wydajności zmęczeniowej niż w przypadku drobnych porów metalurgicznych. Badania przeprowadzone na Northwestern Polytechnical University wykazały, że dodatek śladowej ilości (0,15% wag.) rozdrabniacza ziarna Al-Nb-B do stopu AlSi10Mg może znacząco modulować przejście-kolumnowe do-równoosiowego (CET). Działając jako heterogeniczne miejsca zarodkowania, powstałe cząstki NbB₂ i Al₃Nb podnoszą udział objętościowy ziaren równoosiowych z mniej niż 20% do ponad 80%; jednocześnie interwencja ta zmniejsza współczynnik anizotropii plastycznej (określany jako stosunek wydłużenia podłużnego do poprzecznego) z 3,5 do 1,2, uzyskując w ten sposób stan niemal całkowitej izotropii. Ewolucyjna charakterystyka defektów porowatości wykazuje wyraźne różnice w różnych układach stopów aluminium: w przypadku stopów serii Al-Cu szeroki zakres krzepnięcia powoduje zwiększone opory przepływu w strefie papkowatej, co utrudnia efektywne zasilanie (kompensacyjny przepływ stopu); w konsekwencji udział objętościowy porów metalurgicznych w tych stopach może sięgać 1–2%. Natomiast stopy serii Al-Si-ze względu na wąski zakres krzepnięcia związany z ich składem eutektycznym-pozwalają skutecznie kontrolować poziom porowatości do poziomu poniżej 0,1%. Tworzenie tekstury kryształu jest ściśle powiązane z zachowaniem się-warstwy po warstwie; gdy stosowana jest strategia skanowania jednokierunkowego 0 stopni, a<001>tekstura rozwija się wzdłuż kierunku nawarstwiania, powodując różnicę 10–20% pomiędzy granicą plastyczności w kierunku wzdłużnym (kierunek narastania) i poprzecznym. I odwrotnie, przyjęcie strategii skanowania z obrotem o 67 stopni może zmniejszyć intensywność tekstury do poziomu przypadkowej orientacji, zasadniczo eliminując w ten sposób anizotropię właściwości mechanicznych. Jeśli chodzi o działanie w wysokich-temperaturach, stopy aluminium wytwarzane metodą addytywną wykazują wyjątkowy potencjał wzmacniania, a także specyficzne wyzwania związane z degradacją właściwości. Artykuł przeglądowy opublikowany przez Central South University dzieli mechanizmy wzmacniania-wysokotemperaturowego-odpornych na ciepło, wytwarzanych metodą addytywną stopów aluminium, na trzy podstawowe ścieżki. Po pierwsze, wielo-efekt synergiczny wielu składników tworzy wielowarstwową-architekturę stabilną termicznie poprzez włączenie elementów o różnym współczynniku dyfuzji. Na przykład w stopach Al-Ce-Sc-Zr gęsta i jednorodna faza eutektyczna Al₁₁Ce₃ w połączeniu z wewnątrzkrystalicznym wytrącaniem L1₂-Al₃(Sc,Zr) tworzy podwójny-efekt wzmacniający; umożliwia to stopowi zachowanie wytrzymałości na rozciąganie 233 MPa w temperaturze 300 stopni i 142 MPa w temperaturze 400 stopni, bez znacznego zgrubienia ziaren obserwowanego nawet po długotrwałej ekspozycji termicznej w temperaturze 400 stopni przez 96 godzin. Po drugie, wzmacnianie międzymetaliczne polega na wyborze związków międzymetalicznych o niskich współczynnikach dyfuzji i wysokich temperaturach topnienia, aby utworzyć sztywną strukturę szkieletową w podwyższonych temperaturach. Stała szybkości gruboziarnistości fazy Al₁₁Ce₃ przy 400 stopniach jest zaledwie 1,6 nm3/s-znacznie niższa niż faza Al₂Cu w tradycyjnych stopach Al-Cu w tej samej temperaturze (około 100 nm3/s); ta doskonała stabilność-w wysokiej temperaturze pozwala temu pierwszemu stale działać jako skuteczna bariera dla ruchu dyslokacyjnego. Po trzecie, regulacja skali atomowej-hamuje gruboziarnistość poprzez wprowadzenie elementów segregujących na styku faz wzmacniających i osnowy. Badania wykazały, że pierwiastki takie jak Sc, Zr, Si i Mn-które segregują na granicy faz θ′-Al₂Cu/-Al-mogą obniżyć energię międzyfazową i utrudniać dyfuzję atomów, wydłużając w ten sposób zakres temperatur pracy stopów serii 2xxx- z tradycyjnego limitu 200 stopni do 250 stopni i 300 stopni. Badanie opublikowane w *Nature Communications*-prowadzone przez akademika Lu Jiana z City University w Hongkongu we współpracy z wieloma instytucjami-poczyniło znaczący krok naprzód dzięki wykorzystaniu typowych zanieczyszczeń występujących w stopach aluminium (Si, Fe, Mn i Ni) do opracowania-odpornego na ciepło materiału Al-7.44Si-2.34Fe-1.79Mn-1.12Ni Stop nie zawierający metali szlachetnych ani pierwiastków ziem rzadkich. W warunkach szybkiego krzepnięcia stop ten ulega-segregacji równowagowej, w wyniku czego osadzają się-odporne na ciepło wieloskładnikowe-nanoprecypitaty międzymetaliczne-zajmujące ułamek objętościowy do 14%-na granicach komórek krzepnięcia, tworząc w ten sposób termicznie stabilną mikrostrukturę komórkową. Nie wymagając żadnej dodatkowej obróbki, stop wykazuje wytrzymałość na rozciąganie-w temperaturze pokojowej wynoszącą 582 MPa, przy wytrzymałości 263 MPa i 114 MPa odpowiednio w 300 i 400 stopniach. Co więcej, badanie ujawnia-po raz pierwszy w stopach aluminium-mechanizm hartowania napędzany-amorfizacją w stanie stałym: podczas odkształcania{{78}w wysokiej temperaturze część nanoprecypitatów międzymetalicznych ulega przemianie amorficznej w stanie stałym, ostatecznie tworząc „amorficzną + nanocząstkę (uporządkowaną L1₂ ′-(Ni,Fe)₃Faza Al)” to nanodwufazowa struktura zapewniająca dodatkową ścieżkę rozpraszania energii w celu propagacji pęknięć w wysokiej temperaturze.
