01 چالشهای عصر - آلیاژهای آلومینیوم به دلیل چگالی کم، استحکام ویژه بالا و مقاومت در برابر خوردگی عالی، به مواد ساختاری ضروری در بخشهای هوافضا، خودرو و تجهیزات انرژی تبدیل شدهاند. با این حال، با افزایش تقاضای صنعت مدرن برای هندسههای پیچیده و کارایی بالا، روشهای ریختهگری و ماشینکاری سنتی با محدودیتهای اساسی در تولید قطعات دارای کانالهای داخلی پیچیده، ساختارهای شبکهای و ویژگیهای دیواره{{4} نازک مواجه است. فنآوریهای تولید افزودنی-بهویژه همجوشی بستر پودر لیزری (LPBF) و رسوب انرژی هدایتشده لیزری (LDED)-راههای انقلابی برای غلبه بر این تنگناهای تولیدی را ارائه میدهند. فناوری LPBF از یک پرتو لیزر پر انرژی برای ذوب انتخابی{10}لایههای پودری از قبل رسوبشده استفاده میکند و اجزای پیچیدهای با چگالی بیش از 99.5 درصد لایه به لایه ایجاد میکند. با سرعت خنکسازی معمولی که به مرتبه 106 K/s میرسد، میتواند محلولهای جامد فوقاشباع و ریزساختارهای بسیار ریز{13}}دانهای به دور از حالتهای انجماد تعادلی تولید کند. در همین حال، فناوری LDED، با استفاده از تغذیه همزمان پودر و ذوب لیزر، مزایای منحصر به فردی را در تعمیر قطعات آسیب دیده و تولید اجزای ساختاری مقیاس بزرگ و همچنین مواد درجه بندی شده از نظر ترکیبی نشان می دهد. با این وجود، آلیاژهای آلومینیوم در طول تولید افزودنی لیزر با یک سری چالشهای متالورژیک فیزیکی{17} ذاتی مواجه میشوند. در دمای اتاق، آلیاژهای آلومینیوم بازتابی بیش از 90 درصد برای لیزرهای مادون قرمز نزدیک (طول موج: 1070 نانومتر) از خود نشان میدهند که منجر به راندمان جفت انرژی بسیار پایین و نیاز به لیزرهای با چگالی بالا برای ایجاد یک استخر پایدار میشود. سطوح آلیاژ آلومینیوم به راحتی یک فیلم اکسید متراکم (Al2O3) با نقطه ذوب 2072 درجه -به طور قابل توجهی بالاتر از نقطه ذوب 660 درجه ماتریس آلومینیوم تشکیل می دهند. قطعات این لایه اکسید اغلب به طور کامل در حوضچه مذاب ذوب نمی شوند، و اغلب به عنوان محل شروع ترک ها و فقدان{28}}{29}}همجوشی عمل می کنند. حتی مهمتر از آن، حلالیت هیدروژن در آلومینیوم مایع (تقریباً{31}} سانتیمتر در 100 گرم) به مراتب بیشتر از آلومینیوم جامد است (تقریباً{33}} سانتیمتر در هر 100 گرم). در طول انجماد سریع، اتمهای هیدروژن فوق اشباع نمیتوانند در زمان پخش شوند و در عوض در فصل مشترک مایع{35} جامد تجمع میکنند و هستههای حبابدار را تشکیل میدهند و در نهایت منافذ متالورژیکی با قطر چند تا چند ده میکرومتر را در ریزساختار جامد شده باقی میگذارند. در همین حال، دامنه وسیع دمای انجماد (به عنوان مثال، بیش از 150 درجه برای Al7075) و انقباض قابل توجه انجماد (تقریباً 6٪) آلیاژهای آلومینیوم، آنها را به شدت مستعد تخلخل انقباض انجماد و ترک داغ پس از بسته شدن کانال های تغذیه در طول مراحل نهایی انجماد استخر مذاب می کند. این مسائل چالشهای اصلی را در پردازش LPBF آلیاژهای آلومینیومی با استحکام بالا 2xxx و 7xxx نشان میدهند. ویژگیهای چرخه حرارتی شدید ذاتی تولید افزودنیهای لیزری-شامل دماهای موضعی حوضچه مذاب بیش از 2000 درجه در کنار دمای پودر و بستر اطراف از دمای اتاق تا 200 درجه است که منجر به گرادیانهای دما تا 10⁶ K/m{50} میشود. اگر این تنشها کنترل نشوند، میتوانند منجر به تاب برداشتن، تغییر شکل یا حتی ترکخوردگی بین لایهای شوند.
02 طراحی ترکیب - در سطح طراحی ترکیب، سیستمهای آلیاژی که به طور سنتی برای ریختهگری و آهنگری استفاده میشوند، اغلب برای تولید مواد افزودنی نامناسب هستند. با در نظر گرفتن آلیاژ AlSi10Mg به عنوان مثال، ترکیب یوتکتیک نزدیک به آن سیالیت عالی در طول ریخته گری می دهد. با این حال، تحت شرایط انجماد سریع LPBF، شبکه فاز سیلیکونی یوتکتیک درشت به عنوان منبع تمرکز تنش عمل می کند. علاوه بر این، استحکام کششی آلیاژ در دمای 300 درجه تا حدود 10 درصد از مقاومت دمایی اتاق آن کاهش می یابد، پدیده ای که به درشت شدن و انحلال سریع ریزساختار یوتکتیک در دماهای بالا نسبت داده می شود. در نتیجه، توسعه سیستمهای تخصصی ترکیب آلیاژ آلومینیوم متناسب با ویژگیهای تولید افزودنی، به یک مرکز تحقیقاتی کلیدی در این زمینه تبدیل شده است.
تحقیقات مؤسسه فناوری سبز و هوشمند چونگ کینگ، آکادمی علوم چین، نشان میدهد که افزودن مقادیر کمی از Sc (0.2-0.4 درصد وزنی) و Zr (0.1-0.3 وزنی درصد) به آلیاژهای Al{4}}Mg، تشکیل *درجا* نانومقیاس را قادر میسازد در مقیاس نانو فاز اولیه با ساختار جامد Al33 (Sc, Zr) فرآیند لیزر پودر فیوژن بستر (LPBF). این فازها عدم تطابق شبکه بسیار کم (تقریباً 1.3%) را با ماتریس -Al نشان میدهند و بهعنوان مکانهای هستهزایی ناهمگن بسیار کارآمد عمل میکنند و اندازه دانهها را از دهها میکرومتر به زیر-مقیاس میکرومتر پالایش میکنند. این مطالعه نشان میدهد که آلیاژ-Al{12}}Mg-Mn{14}}Sc{15}}زیر ساختار دانهای دووجهی مشخصی را نشان میدهد: ناحیهای از دانههای هم محور ریز (اندازه متوسط ~1.04 میکرومتر) در ناحیه مذاب (معادل حوضچه مذاب یک ~1 لبه ستونی) μm) در امتداد جهت ساخت در مرکز استخر مذاب رشد می کند. این ساختار دانه ناهمگن از تغییرات فضایی در شیب دما و تراکم هسته در حوضچه مذاب ناشی می شود. لبهها دارای گرادیانهای دمای بالا و غنیسازی فازهای اولیه Al3 (Sc, Zr) هستند که هستهزایی ناهمگن را ترویج میکنند، در حالی که مرکز با یک گرادیان دمایی جهتدار مشخص میشود که به نفع رشد کریستال همپایه در امتداد جهت حداکثر اتلاف گرما است. قابل ذکر است، در حالی که Sc گران است (تقریباً 3000 دلار در کیلوگرم)، Zr نسبتاً ارزان است (حدود 30 دلار / کیلوگرم). افزودن ترکیبی این عناصر یک ساختار پوسته Al3Sc-هسته/Al3Zr- ایجاد میکند که نه تنها پایداری حرارتی فازهای تقویتکننده را به طور قابلتوجهی افزایش میدهد، بلکه به طور موثر هزینههای آلیاژ را کاهش میدهد. در همین حال، تیمی از دانشگاه جیائو تونگ شانگهای یک استراتژی طراحی نوآورانه مبتنی بر نانوداربست یوتکتیک قابل تغییر شکل{28}}تبدیل پذیر پیشنهاد کرده است. آنها یک سیستم تقریباً{30}}یوتکتیک Al{31}}Er (12.7 درصد وزنی Er) را به عنوان آلیاژ مدل انتخاب کردند، با استفاده از تشکیل فاز L12{34}}ساختار یافته Al3Er- که عدم تطابق شبکهای را به همراه سیستمهای 3.97} و تنها با 3.97} درصد نشان میدهد. قابلیت دوقلوزایی بالا در طول فرآیند چاپ LPBF، Al3Er با کسر حجمی تقریباً 10.3٪ به شکل یک اسکلت نانو 3 بعدی پیوسته رسوب میکند. این اسکلت نه تنها تنشهای بالای بیش از 1300 مگاپاسکال را تحمل میکند، بلکه انطباق پلاستیک را در طول تغییر شکل از طریق تشکیل دوقلوهای تغییر شکل و انباشتن ساختارهای منظم 9R تسهیل میکند، در نتیجه اساساً دیدگاه مرسوم مبنی بر اینکه اسکلتهای یوتکتیک ذاتاً شکننده هستند را زیر و رو میکند. آلیاژ چاپی Al-Er-منیزیم (RAE700) دارای قدرت تسلیم 632 مگاپاسکال است که پس از پیری مستقیم به 707 مگاپاسکال افزایش مییابد در حالی که ازدیاد طولی 7 تا 10 درصد را حفظ میکند و در نتیجه یک نمایه عملکرد جامع که از تمام مشخصات چاپ 3 بعدی{5} قبلی گزارش شده فراتر میرود. بعلاوه، یک تیم تحقیقاتی در دانشگاه ناگویا یک سری آلیاژ Al-Fe-Mn-Ti را بر اساس استراتژی "کنترل پارتیشن بندی عناصر" توسعه دادند. با افزودن مس و منگنز برای تثبیت فاز Al₆Fe و تبدیل آن به فاز تقویتی مفید-در حالی که همزمان Ti وارد فاز جامد میشود تا دانهها را تا حدود 2.3 میکرومتر تصفیه کند-آلیاژ به استحکام اتاق{63} و دمای 390 مگاپیکسل طولانی میرسد. 14-17٪، با خواص تقریباً بدون تغییر پس از 100 ساعت قرار گرفتن در معرض حرارت در 300 درجه.
