تحقیق در مورد مسائل کلیدی در تولید افزودنی لیزری آلیاژهای آلومینیوم

01 چالش های معاصر: آلیاژهای آلومینیوم به دلیل چگالی کم، مقاومت ویژه بالا و مقاومت در برابر خوردگی عالی، به مواد ساختاری ضروری در بخش های هوافضا، خودرو و تجهیزات انرژی تبدیل شده اند. با این حال، با افزایش تقاضا در صنعت مدرن برای هندسه‌های پیچیده و اجزای سبک وزن{2} با کارایی بالا، روش‌های ریخته‌گری و ماشین‌کاری سنتی با محدودیت‌های اساسی در هنگام ساخت قطعات دارای کانال‌های داخلی پیچیده، ساختارهای شبکه‌ای و ویژگی‌های دیواره{{3} نازک مواجه هستند. فن‌آوری‌های تولید افزودنی-مخصوصاً همجوشی بستر پودر لیزری (LPBF) و رسوب‌دهی انرژی هدایت‌شده با لیزر (LDED)-راه‌های انقلابی را برای غلبه بر این گلوگاه‌های تولیدی ارائه می‌دهند. فناوری LPBF اجزای پیچیده‌ای را با چگالی بیش از 99.5 درصد با ذوب انتخابی{9}}لایه‌های پودری از پیش رسوب‌شده با استفاده از پرتو لیزر{10}بالا{10}} می‌سازد و ساختار را لایه به لایه می‌سازد. با سرعت خنک‌سازی معمولی که به مرتبه 106 K/s می‌رسد، این فرآیند تشکیل محلول‌های جامد فوق‌اشباع و ریزساختارهای بسیار ریز دانه‌ای را که بسیار فراتر از حالت انجماد تعادلی هستند، امکان‌پذیر می‌سازد. برعکس، فناوری LDED{15}}که از تغذیه همزمان پودر در کنار ذوب لیزری استفاده می‌کند{16} مزایای منحصربه‌فردی را در تعمیر قطعات آسیب‌دیده، ساخت اجزای ساختاری در مقیاس بزرگ و تولید مواد درجه‌بندی عملکردی نشان می‌دهد. با این وجود، آلیاژهای آلومینیوم در طول فرآیند تولید افزودنی لیزر با یک سری چالش‌های متالورژیک فیزیکی{19} ذاتی مواجه می‌شوند. آلیاژهای آلومینیوم انعکاس بیش از 90% را نسبت به لیزرهای مادون قرمز نزدیک (با طول موج 1070 نانومتر) در دمای اتاق نشان می‌دهند. این منجر به راندمان کوپلینگ انرژی بسیار پایین می‌شود و استفاده از لیزرهای-قدرت-بالا برای ایجاد یک حوضچه مذاب پایدار ضروری است. علاوه بر این، یک فیلم اکسید متراکم (Al2O3) به راحتی بر روی سطح آلیاژهای آلومینیوم تشکیل می شود. با نقطه ذوب 2072 درجه -به طور قابل توجهی بالاتر از ماتریس آلومینیوم (660 درجه)-قطعات این لایه اکسید اغلب به طور کامل در حوضچه مذاب ذوب نمی‌شوند و اغلب به عنوان محل هسته‌زایی برای شکاف‌ها و منابع فقدان- عمل می‌کنند. مهمتر از همه، حلالیت هیدروژن در آلومینیوم مایع (تقریباً 0.7 سانتی متر مکعب در 100 گرم) بسیار بیشتر از آلومینیوم جامد است (تقریباً 0.04 سانتی متر مکعب در 100 گرم). در طول فرآیند انجماد سریع، اتم های هیدروژن فوق اشباع زمان کافی برای انتشار ندارند. در عوض، آنها در قسمت جلوی رابط مایع{40} جامد تجمع می‌کنند تا هسته‌های حباب گاز را تشکیل دهند و در نهایت منافذ متالورژیکی با قطر چند میکرون تا ده‌ها میکرون را در ریزساختار جامد شده باقی می‌گذارند. در همین حال، طیف وسیع دمای انجماد آلیاژهای آلومینیوم (به عنوان مثال، بیش از 150 درجه برای Al7075) و انقباض قابل توجه انجماد آنها (تقریباً 6٪) آنها را به شدت مستعد تخلخل انجماد و ترک داغ پس از بسته شدن کانال های تغذیه در دم حوضچه مذاب می کند. این چالش اصلی است که آلیاژهای آلومینیوم سری 2xxx و 7xxx با استحکام بالا در طول فرآیند LPBF{48}}با آن مواجه هستند. علاوه بر این، ویژگی چرخه حرارتی شدید تولید افزودنی لیزر-که در آن دمای حوضچه مذاب موضعی از 2000 درجه فراتر می‌رود در حالی که پودر و بستر اطراف بین دمای اتاق و 200 درجه باقی می‌مانند، که منجر به ایجاد گرادیان دما تا 106 K/m{56}در میدان‌های تولید کننده تنش پیچیده می‌شود. اگر کنترل نشود، می‌تواند منجر به تاب برداشتن، تغییر شکل، و حتی{57}}ترک بین لایه‌ها شود.

02 طراحی ترکیب: در سطح طراحی ترکیب، سیستم های آلیاژ آلومینیوم که به طور سنتی در ریخته گری و آهنگری استفاده می شود، اغلب برای تولید افزودنی نامناسب هستند. با در نظر گرفتن آلیاژ AlSi10Mg به عنوان مثال: در حالی که ترکیب نزدیک{3} یوتکتیک آن به آن سیالیت عالی در طول ریخته‌گری می‌بخشد، تحت شرایط انجماد سریع LPBF، شبکه درشت فازهای سیلیکون یوتکتیک به طور متناقضی به منبع تمرکز تنش تبدیل می‌شود. علاوه بر این، استحکام کششی آلیاژ در 300 درجه تا حدود 10٪ از قدرت 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 آلیاژ آلومینیوم متناسب با ویژگی‌های منحصر به فرد تولید افزودنی به عنوان یک کانون تحقیقاتی کلیدی در این زمینه پدیدار شده است.

تحقیقات انجام شده توسط موسسه فناوری سبز و هوشمند چونگ کینگ، آکادمی علوم چین، نشان می‌دهد که با افزودن مقادیر کمی از Sc (0.2-0.4 درصد وزنی) و Zr (0.1-0.3 وزنی درصد) به آلیاژهای مبتنی بر Al{4}}Mg-، در مقیاس نانو Al3 (Sc, Zr) ساختار{8}}می‌تواند *درجا* در طی فرآیند انجماد سریع لیزر پودر بستر فیوژن (LPBF) تشکیل شود. این فاز یک عدم تطابق شبکه بسیار کم (تقریباً 1.3%) با ماتریس Al نشان می‌دهد، بنابراین به عنوان یک مکان هسته‌زایی ناهمگن بسیار کارآمد عمل می‌کند که اندازه دانه را از ده‌ها میکرومتر به زیر{12} میکرومتر کاهش می‌دهد. این مطالعه همچنین اشاره می‌کند که آلیاژ Al-Mg-Mn{17}}Sc{18}}Zr ساخته شده از SLM، ساختار دانه‌ای دووجهی مشخصی را ارائه می‌کند: لبه‌های حوضچه مذاب دارای ناحیه دانه‌ای ریز هم محور با اندازه متوسط دانه‌های مرکز ۰ میکرومتر a، m1 است. ناحیه دانه ستونی-در امتداد جهت ساخت{21}}با اندازه دانه‌بندی متوسط تقریباً 2.11 میکرومتر. این ساختار دانه ناهمگن از تغییرات فضایی در شیب دما و تراکم هسته در حوضچه مذاب ناشی می شود. به طور خاص، لبه‌های حوضچه مذاب با گرادیان‌های دمایی تند و غنی‌سازی فازهای اولیه Al3(Sc,Zr) مشخص می‌شوند، که هسته‌زایی ناهمگن را ترویج می‌کند، در حالی که مرکز حوضچه مذاب یک گرادیان دمایی بسیار جهت‌دار را نشان می‌دهد که رشد همپایی کریستال‌ها را در امتداد جهت حداکثر گرما تسهیل می‌کند. قابل ذکر است، در حالی که Sc یک عنصر پرهزینه است (قیمت تقریباً 3000 دلار در کیلوگرم)، Zr نسبتاً ارزان است (تقریباً 30 دلار / کیلوگرم). افزودن ترکیبی این دو عنصر یک هسته-ساختار پوسته-شامل یک هسته Al3Sc و یک پوسته Al3Zr{30}} ایجاد می‌کند که نه تنها پایداری حرارتی فازهای تقویت‌کننده را به طور قابل‌توجهی افزایش می‌دهد، بلکه به طور موثر هزینه کلی آلیاژ را کاهش می‌دهد. در همین حال، تیمی از دانشگاه شانگهای جیائو تونگ، یک استراتژی طراحی نوآورانه جایگزین با محوریت یک "نانوداربست یوتکتیک قابل تغییر شکل-تبدیل پذیر" پیشنهاد کرده است. این تیم با انتخاب سیستم تقریباً{34}}یوتکتیک Al{35}}Er (12.7 درصد وزنی Er) به عنوان آلیاژ مدل خود، از توانایی Er برای تشکیل فاز Al3Er با ساختار L12 در ارتباط با Al استفاده کردند. این فاز یک عدم تطابق شبکه تنها 3.96٪ نسبت به ماتریس Al نشان می دهد و با فراوانی سیستم های لغزش و ظرفیت بالا برای دوقلویی مشخص می شود. در طی فرآیند چاپ LPBF، Al3Er به شکل یک اسکلت نانومقیاس سه بعدی پیوسته رسوب می‌کند که تقریباً 10.3 درصد حجمی را تشکیل می‌دهد. این اسکلت نه تنها قادر به تحمل تنش های بالای 1300 مگاپاسکال است، بلکه از طریق تشکیل دوقلوهای تغییر شکل و 9R{46}}انباشته دوره طولانی{47}}ساختارهای مرتب- تطبیق پلاستیک را در حین تغییر شکل تسهیل می‌کند و در نتیجه اساساً این تصور سنتی را که اسکلت‌های یوتکتیکی نازک هستند واژگون می‌کند. آلیاژ چاپی Al{51}Er-منیزیم (RAE700) دارای قدرت تسلیم 632 مگاپاسکال است که پس از پیری مستقیم به 707 مگاپاسکال افزایش می‌یابد، در حالی که به طور همزمان کشیدگی 7 تا 10 درصد را حفظ می‌کند. این ویژگی های جامع از همه آلیاژهای آلومینیوم چاپ سه بعدی{59}}که قبلاً گزارش شده بود، فراتر می رود. علاوه بر این، یک تیم تحقیقاتی در دانشگاه ناگویا مجموعه‌ای از آلیاژهای Al{61}}Fe-Mn-Ti را بر اساس استراتژی "کنترل پارتیشن بندی عنصری" توسعه داده‌اند. با افزودن مس و منگنز، آنها با موفقیت فاز Al₆Fe را تثبیت کردند-و آن را به فاز تقویتی مفید تبدیل کردند-در حالی که همزمان Ti را وارد کردند، که برای القای پالایش دانه (تقریباً به 2.3 میکرومتر) به فاز جامد تقسیم می‌شود. در نتیجه، آلیاژ به استحکام کششی دمایی 390 مگاپاسکال و انعطاف پذیری 14 تا 17 درصد دست می یابد. به طور قابل توجهی، خواص مکانیکی آن حتی پس از قرار گرفتن در معرض حرارتی در دمای 300 درجه به مدت 100 ساعت، تقریباً بدون تغییر باقی می‌ماند.

03 کنترل فرآیند: رابطه کمی بین پارامترهای فرآیند و دینامیک حوضچه مذاب برای روشن کردن مکانیسم‌های حاکم بر تشکیل ریزساختار در تولید افزودنی لیزری آلیاژهای آلومینیوم کلیدی است. رفتارهای دینامیکی سیال در حوضچه مذاب به طور کلی توسط همرفت مارانگونی، فشار پس‌کشی، شناوری و نیروهای ترموکاپیلاری هدایت می‌شوند. در این میان، نیروهای برشی Marangoni- ناشی از گرادیان‌های کشش سطحی ناشی از گرادیان‌های دما در سراسر سطح حوضچه مذاب-نیروی غالب را تشکیل می‌دهند که جریان فلز مذاب را از مرکز استخر به سمت حاشیه آن هدایت می‌کند. برعکس، فشار پس‌کشی{6}}تولید شده در اثر خروج شدید بخار فلز در داخل سوراخ کلید- نیروی فشاری وارد می‌کند که فلز مذاب را به سمت پایین و دیواره‌های جانبی سوراخ کلید فشار می‌دهد. مطالعات نشان می‌دهد که چگالی انرژی حجمی (VED) به‌عنوان معیار حیاتی برای تعیین تغییر حالت حوضچه مذاب عمل می‌کند: زمانی که VED از حدود 60 J/mm³ تجاوز می‌کند، فشار برگشت تبخیری برای ایجاد یک سوراخ کلید در حوضچه مذاب با نسبت ابعادی بزرگ‌تر از 1 کافی می‌شود و در نتیجه، کلید حالت سوراخ را آغاز می‌کند. برعکس، فرآیند در "حالت هدایت" عمل می کند. اگرچه حالت سوراخ کلید دستیابی به چگالی مواد بالا را تسهیل می کند، اما نوسان ناپایدار سوراخ کلید{12}}به طور خاص، فروریختن دوره ای دیواره جلویی آن{13}}مکانیسم اولیه تشکیل تخلخل سوراخ کلید را تشکیل می دهد (منافذ معمولاً با قطر 50 تا 200 میکرومتر). این منافذ با اندازه بزرگ و مورفولوژی نامنظم مشخص می‌شوند که نسبت به منافذ متالورژیکی در مقیاس ریز به طور قابل‌توجهی آسیب بیشتری به عملکرد خستگی وارد می‌کنند. تحقیقات انجام‌شده در دانشگاه پلی‌تکنیک نورث وسترن نشان داده است که افزودن مقدار کمی (0.15 درصد وزنی) از یک تصفیه‌کننده دانه Al{20}}Nb-B به آلیاژ AlSi10Mg می‌تواند به طور قابل‌توجهی انتقال ستونی به-تعادل (CET) را تعدیل کند. ذرات NbB2 و Al3Nb که به عنوان مکان‌های هسته‌زایی ناهمگن عمل می‌کنند، کسر حجمی دانه‌های هم محور را از کمتر از 20% به بیش از 80% افزایش می‌دهند. به طور همزمان، این مداخله نسبت ناهمسانگردی پلاستیک (تعریف شده به عنوان نسبت کشیدگی طولی به عرضی) را از 3.5 به 1.2 کاهش می دهد و در نتیجه به حالت ایزوتروپی تقریباً کامل می رسد. ویژگی‌های تکاملی عیوب تخلخل، تغییرات مشخصی را در سیستم‌های مختلف آلیاژ آلومینیوم نشان می‌دهند: در آلیاژهای سری Al{31}Cu، دامنه انجماد گسترده منجر به افزایش مقاومت جریان در منطقه شلوغ می‌شود و تغذیه مؤثر (جریان مذاب جبرانی) را چالش‌برانگیزتر می‌کند. در نتیجه، کسر حجمی منافذ متالورژی در این آلیاژها می تواند به 1-2٪ برسد. در مقابل، آلیاژهای Al{35}}سری Si-به دلیل محدوده انجماد باریک مرتبط با ترکیب یوتکتیک آنها اجازه می‌دهند که سطوح تخلخل به طور موثر تا کمتر از 0.1% کنترل شوند. شکل گیری بافت کریستالی با رفتار انجماد لایه پیوند نزدیکی دارد-. هنگامی که یک استراتژی اسکن یک طرفه 0 درجه استفاده می شود، الف<001>بافت در امتداد جهت ساخت ایجاد می شود و در نتیجه تفاوت 10-20٪ بین قدرت تسلیم در جهت طولی (جهت ساخت) و عرضی ایجاد می شود. برعکس، اتخاذ یک استراتژی اسکن چرخشی 67 درجه می تواند شدت بافت را تا سطح جهت گیری تصادفی کاهش دهد و در نتیجه اساساً ناهمسانگردی در خواص مکانیکی را حذف کند. با توجه به عملکرد سرویس در دمای بالا، آلیاژهای آلومینیومی که به صورت افزودنی تولید می‌شوند، پتانسیل منحصربه‌فردی را برای تقویت در کنار چالش‌های خاص در رابطه با تخریب اموال نشان می‌دهند. یک مقاله مروری توسط دانشگاه مرکزی جنوبی، مکانیسم‌های تقویت دمای بالا آلیاژهای آلومینیومی مقاوم در برابر حرارت-را در سه مسیر اصلی طبقه‌بندی می‌کند. اول،{10}اثر هم افزایی چند مؤلفه‌ای، با ترکیب عناصر با نرخ انتشار متفاوت، یک معماری چندلایه{11} و از نظر حرارتی پایدار می‌سازد. به عنوان مثال، در آلیاژهای Al{13}}Ce-Sc{15}}Zr، فاز یوتکتیک متراکم و یکنواخت Al11Ce3، همراه با L12{17}}Al3(Sc,Zr) درون دانه‌ای، یک اثر دوگانه ایجاد می‌کند{18} این آلیاژ را قادر می سازد استحکام کششی 233 مگاپاسکال در 300 درجه و 142 مگاپاسکال در 400 درجه را حفظ کند، بدون اینکه درشت شدن دانه قابل توجهی حتی پس از قرار گرفتن در معرض حرارتی طولانی مدت در 400 درجه به مدت 96 ساعت مشاهده شود. دوم، تقویت بین فلزی به انتخاب ترکیبات بین فلزی با ضرایب انتشار پایین و نقطه ذوب بالا برای تشکیل یک ساختار اسکلتی سفت و سخت در دماهای بالا متکی است. ثابت سرعت درشت شدن فاز Al11Ce3 در 400 درجه فقط 1.6 نانومتر بر ثانیه{29}}به طور قابل توجهی کمتر از فاز Al2Cu در آلیاژهای Al{30}}Cu سنتی در همان دما (تقریباً 100 nm) است. این پایداری عالی در دمای{32}}به اولی اجازه می‌دهد تا به‌طور پیوسته به‌عنوان یک مانع مؤثر در برابر حرکت نابجایی عمل کند. سوم، تنظیم مقیاس اتمی{34} از درشت شدن با وارد کردن عناصر جداکننده در فصل مشترک بین فازهای تقویت کننده و ماتریس جلوگیری می کند. مطالعات نشان داده است که عناصری مانند Sc، Zr، Si و Mn{36}}که در θ'-Al2Cu/ -واسط Al2- جدا می‌شوند، می‌توانند انرژی سطحی را کاهش داده و مانع انتشار اتمی شوند، در نتیجه دامنه دمای سرویس را 41x0x افزایش می‌دهند. درجه بین 250 تا 300 درجه یک مطالعه منتشر شده در *Nature Communications*-به رهبری آکادمیک لو جیان از دانشگاه سیتی هنگ کنگ با همکاری چندین مؤسسه{47}}گام مهمی رو به جلو با استفاده از عناصر ناخالصی رایج موجود در آلیاژهای آلومینیوم (Si، Fe، منگنز و نیکل) برای ایجاد حرارت{48}} برداشته است. آلیاژ Al-7.44Si-2.34Fe-1.79Mn{57}}1.12Ni که نه فلزات گرانبها و نه عناصر خاکی کمیاب دارد. تحت شرایط انجماد سریع، این آلیاژ تحت-تفکیک غیرتعادلی قرار می‌گیرد، نانورسوب‌های بین‌فلزی چند جزء مقاوم در برابر حرارت-{62}}{69}}که کسری حجمی تا 14% را اشغال می‌کند{70}به‌وسیله سلول‌های جامد سلولی قابل شکل‌گیری{70} ریزساختار بدون نیاز به پردازش پستی، آلیاژ دارای استحکام کششی دمایی 582 مگاپاسکال با استحکام 263 مگاپاسکال و 114 مگاپاسکال در 300 درجه و 400 درجه است. علاوه بر این، این مطالعه{73}}برای اولین بار در آلیاژهای آلومینیوم-مکانیزم سخت‌کننده‌ای را نشان می‌دهد که توسط آمورف‌سازی حالت جامد هدایت می‌شود: در هنگام تغییر شکل-در دمای بالا، بخشی از نانو رسوبات بین‌فلزی تحت یک تغییر شکل حالت جامد، یک حالت جامد، یک شکل غیرقابل تغییر حالت جامد + نانوذره (فاز ′-(Ni,Fe)3Al به ترتیب L12)" ساختار نانو دو فازی که یک مسیر اتلاف انرژی اضافی برای انتشار ترک در دمای بالا فراهم می کند.