01 Hedendaagse uitdagingen: Vanwege hun lage dichtheid, hoge specifieke sterkte en uitstekende corrosieweerstand zijn aluminiumlegeringen onmisbare structurele materialen geworden in de lucht- en ruimtevaart-, automobiel- en energiesector. Met de stijgende vraag in de moderne industrie naar complexe geometrieën en lichtgewicht componenten met hoge{2}}prestaties worden traditionele giet- en bewerkingsmethoden echter geconfronteerd met fundamentele beperkingen bij het vervaardigen van onderdelen met ingewikkelde interne kanalen, roosterstructuren en dun- wandelementen. Additieve productietechnologieën-met name Laser Powder Bed Fusion (LPBF) en Laser Directed Energy Deposition (LDED)-bieden revolutionaire manieren om deze productieknelpunten te overwinnen. LPBF-technologie construeert complexe componenten met dichtheden van meer dan 99,5% door vooraf-afgezette poederlagen selectief te smelten met behulp van een-hoge energielaserstraal, waardoor de structuur laag voor laag wordt opgebouwd. Met typische koelsnelheden die de orde van 10⁶ K/s bereiken, maakt dit proces de vorming mogelijk van oververzadigde vaste oplossingen en ultrafijnkorrelige microstructuren die ver buiten de evenwichtsstollingstoestand liggen. Omgekeerd vertoont de LDED-technologie-die gebruikmaakt van de gelijktijdige toevoer van poeder naast lasersmelten-unieke voordelen bij de reparatie van beschadigde onderdelen, de fabricage van- structurele componenten op grote schaal en de productie van functioneel hoogwaardige materialen. Niettemin worden aluminiumlegeringen geconfronteerd met een reeks inherente fysieke-metallurgische uitdagingen tijdens het laser-additieve productieproces. Aluminiumlegeringen vertonen een reflectiviteit van meer dan 90% ten opzichte van nabij-infraroodlasers (met een golflengte van 1070 nm) bij kamertemperatuur; dit resulteert in een extreem lage energiekoppelingsefficiëntie, waardoor het gebruik van lasers met hoge-vermogen-dichtheid nodig is om een stabiel smeltbad tot stand te brengen. Bovendien vormt zich gemakkelijk een dichte oxidefilm (Al2O3) op het oppervlak van aluminiumlegeringen. Met een smeltpunt van 2072 graden -aanzienlijk hoger dan dat van de aluminiummatrix (660 graden )-smelten fragmenten van deze oxidefilm vaak niet volledig in het smeltbad, waardoor ze vaak dienen als kiemplaatsen voor scheuren en bronnen van het ontbreken- van- fusiedefecten. Het meest kritische is dat de oplosbaarheid van waterstof in vloeibaar aluminium (ongeveer 0,7 cm³/100 g) veel hoger is dan die in vast aluminium (ongeveer 0,04 cm³/100 g). Tijdens het snelle stollingsproces hebben oververzadigde waterstofatomen onvoldoende tijd om naar buiten te diffunderen; in plaats daarvan hopen ze zich op aan het front van het vaste{40}}vloeistofgrensvlak en vormen gasbelkernen, waardoor uiteindelijk metallurgische poriën met een diameter van enkele microns tot tientallen microns in de gestolde microstructuur achterblijven. Ondertussen maken het brede stollingstemperatuurbereik van aluminiumlegeringen (bijvoorbeeld meer dan 150 graden voor Al7075) en hun aanzienlijke stollingskrimp (ongeveer 6%) ze zeer gevoelig voor stollingsporositeit en heetscheuren zodra de toevoerkanalen aan de staart van het smeltbad sluiten. Dit vormt de kernuitdaging waarmee aluminiumlegeringen uit de 2xxx- en 7xxx-serie met hoge sterkte worden geconfronteerd tijdens het LPBF-proces. Bovendien genereert de extreme thermische cycli die kenmerkend zijn voor laser-additive manufacturing-waarbij de gelokaliseerde temperaturen van het smeltbad de 2000 graden overschrijden terwijl het omringende poeder en substraat tussen kamertemperatuur en 200 graden blijven, resulterend in temperatuurgradiënten van wel 10⁶ K/m-een complex thermisch spanningsveld binnen de gefabriceerde componenten; Als dit niet onder controle wordt gehouden, kan dit leiden tot kromtrekken, vervorming en zelfs scheuren tussen de lagen.
02 Samenstellingsontwerp: Op het niveau van het samenstellingsontwerp zijn de aluminiumlegeringssystemen die traditioneel worden gebruikt bij het gieten en smeden vaak niet geschikt voor additieve productie. Als we de AlSi10Mg-legering als voorbeeld nemen: hoewel de vrijwel-eutectische samenstelling deze een uitstekende vloeibaarheid geeft tijdens het gieten, wordt het grove netwerk van eutectische siliciumfasen onder de snelle stollingsomstandigheden van LPBF paradoxaal genoeg een bron van spanningsconcentratie. Bovendien daalt de treksterkte van de legering bij 300 graden tot ongeveer 10% van de sterkte bij kamertemperatuur-, een fenomeen dat wordt toegeschreven aan de snelle verruwing en oplossing van de eutectische microstructuur bij verhoogde temperaturen. Als gevolg hiervan is de ontwikkeling van gespecialiseerde systemen van aluminiumlegeringen, afgestemd op de unieke kenmerken van additieve productie, uitgegroeid tot een belangrijke onderzoekshotspot op dit gebied.
Uit onderzoek uitgevoerd door het Chongqing Institute of Green and Intelligent Technology, Chinese Academie van Wetenschappen, blijkt dat door het toevoegen van sporenhoeveelheden Sc (0,2–0,4 gew.%) en Zr (0,1–0,3 gew.%) aan legeringen op basis van Al-Mg-, primaire Al₃(Sc,Zr)-fasen op nanoschaal-met een geordende L1₂-structuur-*in situ* kunnen worden gevormd tijdens de snel stollingsproces van Laser Powder Bed Fusion (LPBF). Deze fase vertoont een extreem lage roostermismatch (ongeveer 1,3%) met de -Al-matrix, en dient daardoor als een zeer efficiënte heterogene kiemplaats die de korrelgrootte verfijnt van tientallen micrometers tot op sub-micrometerniveau. Het onderzoek merkt verder op dat de door SLM-gefabriceerde Al-Mg-Mn-Sc-Zr-legering een karakteristieke bimodale korrelstructuur heeft: de randen van het smeltbad hebben een fijne gelijkassige korrelzone met een gemiddelde korrelgrootte van ongeveer 1,04 μm, terwijl het midden van het smeltbad bestaat uit een kolomvormige korrelzone-die langs de constructie groeit richting-met een gemiddelde korrelgrootte van ongeveer 2,11 μm. Deze heterogene korrelstructuur komt voort uit ruimtelijke variaties in temperatuurgradiënten en kiemdichtheid binnen het smeltbad; specifiek worden de randen van de smeltbaden gekenmerkt door steile temperatuurgradiënten en een verrijking van Al₃(Sc,Zr) primaire fasen, wat heterogene kiemvorming bevordert, terwijl het centrum van de smeltbaden een sterk gerichte temperatuurgradiënt vertoont die de epitaxiale groei van kristallen in de richting van maximale warmtedissipatie vergemakkelijkt. Hoewel Sc een kostbaar element is (geprijsd op ongeveer $3.000/kg), is Zr relatief goedkoop (ongeveer $30/kg); de gecombineerde toevoeging van deze twee elementen creëert een kern-schaalstructuur-bestaande uit een Al₃Sc-kern en een Al₃Zr-schaal-die niet alleen de thermische stabiliteit van de versterkingsfasen aanzienlijk verbetert, maar ook effectief de totale kosten van de legering verlaagt. Ondertussen heeft een team van de Shanghai Jiao Tong Universiteit een alternatieve, innovatieve ontwerpstrategie voorgesteld, gericht op een 'vervormbare-transformeerbare eutectische nanoscaffold'. Door het bijna-eutectische Al-Er-systeem (12,7 gew.% Er) als hun modellegering te selecteren, maakte het team gebruik van het vermogen van Er om een Al₃Er-fase te vormen met een L1₂-structuur in combinatie met Al; deze fase vertoont een roostermismatch van slechts 3,96% ten opzichte van de -Al-matrix en wordt gekenmerkt door een overvloed aan slipsystemen en een hoge capaciteit voor twinning. Tijdens het LPBF-printproces slaat Al₃Er neer in de vorm van een continu, driedimensionaal skelet op nanoschaal, dat ongeveer 10,3 vol% uitmaakt. Dit skelet is niet alleen in staat hoge spanningen van meer dan 1300 MPa te weerstaan, maar vergemakkelijkt ook plastische accommodatie tijdens vervorming door de vorming van vervormingstweelingen en 9R lange-periode-stapeling-geordende structuren-waardoor het traditionele idee dat eutectische skeletten inherent broos zijn, fundamenteel wordt omvergeworpen. De zoals-gedrukte Al-Er-Mg-legering (RAE700) vertoont een vloeigrens van 632 MPa, die verder toeneemt tot 707 MPa na directe verouderingsbehandeling, terwijl tegelijkertijd een rek van 7–10% behouden blijft; deze uitgebreide eigenschappen overtreffen die van alle eerder gerapporteerde 3D-geprinte aluminiumlegeringen. Bovendien heeft een onderzoeksteam van de Universiteit van Nagoya een reeks Al-Fe-Mn-Ti-legeringen ontwikkeld op basis van een strategie voor 'elementaire verdelingscontrole'. Door Cu en Mn toe te voegen, stabiliseerden ze met succes de Al₆Fe-fase-en transformeerden deze in een gunstige versterkende fase-terwijl ze tegelijkertijd Ti introduceerden, dat zich naar de vaste fase verdeelt om korrelverfijning teweeg te brengen (tot ongeveer 2,3 μm). Bijgevolg bereikt de legering een treksterkte bij kamertemperatuur van 390 MPa en een ductiliteit van 14–17%; Belangrijk is dat de mechanische eigenschappen vrijwel onveranderd blijven, zelfs na thermische blootstelling aan 300 graden gedurende 100 uur.
03 Procesbeheersing: De kwantitatieve relatie tussen procesparameters en de dynamiek van het smeltbad is van cruciaal belang voor het ophelderen van de mechanismen die de vorming van microstructuren bepalen bij de laseradditieve productie van aluminiumlegeringen. Vloeistofdynamisch gedrag binnen het smeltbad wordt collectief aangestuurd door Marangoni-convectie, terugslagdruk, drijfvermogen en thermocapillaire krachten. Hiervan vormen Marangoni-schuifkrachten-die voortkomen uit oppervlaktespanningsgradiënten veroorzaakt door temperatuurgradiënten over het oppervlak van het smeltbad-de dominante kracht die de gesmolten metaalstroom van het midden van het smeltbad naar de periferie drijft. Omgekeerd oefent de terugslagdruk-die wordt gegenereerd door de krachtige uitstoot van metaaldamp in het sleutelgat-een drukkracht uit die het gesmolten metaal naar de bodem en de zijwanden van het sleutelgat duwt. Studies tonen aan dat volumetrische energiedichtheid (VED) dient als de kritische maatstaf voor het bepalen van overgangen in de smeltpoolmodus: wanneer de VED ongeveer 60 J / mm³ overschrijdt, wordt de verdampingsterugslagdruk voldoende om een sleutelgat in het smeltbad te genereren met een aspectverhouding groter dan 1, waardoor de "sleutelgatmodus" wordt geïnitieerd; omgekeerd werkt het proces in de "geleidingsmodus". Hoewel de sleutelgatmodus het bereiken van een hoge materiaaldichtheid mogelijk maakt, vormt de onstabiele oscillatie van het sleutelgat-in het bijzonder het periodiek instorten van de voorwand-het primaire mechanisme voor de vorming van sleutelgatporositeit (poriën die doorgaans een diameter van 50-200 μm hebben). Deze poriën worden gekenmerkt door hun grote omvang en onregelmatige morfologie, waardoor aanzienlijk meer schade wordt toegebracht aan de vermoeiingsprestaties dan metallurgische poriën op kleine schaal. Onderzoek uitgevoerd aan de Northwestern Polytechnical University heeft aangetoond dat de toevoeging van een sporenhoeveelheid (0,15 gew.%) van een Al-Nb-B-korrelverfijner aan een AlSi10Mg-legering de kolomvormige-naar-gelijkassige overgang (CET) aanzienlijk kan moduleren. De resulterende NbB2- en Al3Nb-deeltjes fungeren als heterogene kiemplaatsen en verhogen de volumefractie van gelijkassige korrels van minder dan 20% naar meer dan 80%; Tegelijkertijd reduceert deze interventie de plastische anisotropieverhouding (gedefinieerd als de verhouding tussen longitudinale en transversale verlenging) van 3,5 naar 1,2, waardoor een toestand van bijna volledige isotropie wordt bereikt. De evolutionaire kenmerken van porositeitsdefecten vertonen duidelijke variaties tussen verschillende aluminiumlegeringssystemen: in legeringen uit de Al-Cu-serie resulteert het brede stollingsbereik in een verhoogde stromingsweerstand binnen de papperige zone, waardoor effectieve voeding (compenserende smeltvloei) uitdagender wordt; bijgevolg kan de volumefractie van metallurgische poriën in deze legeringen 1 à 2% bereiken. Daarentegen maken legeringen uit de Al-Si-serie-dankzij het nauwe stollingsbereik dat verband houdt met hun eutectische samenstelling-het mogelijk dat de porositeitsniveaus effectief worden gecontroleerd tot onder de 0,1%. De vorming van kristaltextuur is nauw verbonden met het laag-voor-laag stollingsgedrag; wanneer een unidirectionele scanstrategie van 0 graden wordt toegepast, a<001>textuur ontwikkelt zich langs de bouwrichting, wat resulteert in een verschil van 10-20% tussen de vloeigrens in de longitudinale (bouwrichting) en transversale richtingen. Omgekeerd kan het toepassen van een scanstrategie met een rotatie van 67 graden de textuurintensiteit terugbrengen tot een niveau van willekeurige oriëntatie, waardoor anisotropie in mechanische eigenschappen in wezen wordt geëlimineerd. Wat de prestaties bij hoge- temperaturen betreft, vertonen additief vervaardigde aluminiumlegeringen een uniek potentieel voor versterking naast specifieke uitdagingen met betrekking tot de verslechtering van eigenschappen. Een overzichtsartikel van Central South University categoriseert de hoge-temperatuurversterkende mechanismen van hitte-resistente, additief vervaardigde aluminiumlegeringen in drie kerntrajecten. Ten eerste construeert het synergetische effect uit meerdere-componenten een meer-gelaagde, thermisch stabiele architectuur door elementen met variërende diffusiesnelheden op te nemen. In Al-Ce-Sc-Zr-legeringen creëert de dichte en uniforme Al₁₁Ce₃-eutectische fase, gecombineerd met intragranulaire L1₂-Al₃(Sc,Zr)-precipitaten, een dubbel-versterkend effect; Hierdoor kan de legering een treksterkte van 233 MPa bij 300 graden en 142 MPa bij 400 graden behouden, zonder dat er significante korrelvergroving wordt waargenomen, zelfs na langdurige thermische blootstelling aan 400 graden gedurende 96 uur. Ten tweede berust intermetallische versterking op het selecteren van intermetallische verbindingen met lage diffusiecoëfficiënten en hoge smeltpunten om bij verhoogde temperaturen een stijve skeletstructuur te vormen. De vergrovingssnelheidsconstante van de Al₁₁Ce₃-fase bij 400 graden is slechts 1,6 nm³/s-aanzienlijk lager dan die van de Al₂Cu-fase in traditionele Al-Cu-legeringen bij dezelfde temperatuur (ongeveer 100 nm³/s); Dankzij deze superieure stabiliteit bij hoge temperaturen kan de eerste continu fungeren als een effectieve barrière tegen dislocatiebewegingen. Ten derde remt regulatie op atomaire schaal de verruwing door segregerende elementen te introduceren op de grensvlakken tussen versterkingsfasen en de matrix. Studies hebben aangetoond dat elementen zoals Sc, Zr, Si en Mn-die segregeren op het θ′-Al₂Cu/-Al-grensvlak-de grensvlakenergie kunnen verlagen en atomaire diffusie kunnen belemmeren, waardoor het gebruikstemperatuurbereik van legeringen uit de 2xxx--serie wordt vergroot van de traditionele limiet van 200 graden naar tussen 250 graden en 300 graden. Een studie gepubliceerd in *Nature Communications*-onder leiding van academicus Lu Jian van de City University of Hong Kong in samenwerking met meerdere instellingen-heeft een belangrijke stap voorwaarts gezet door gebruik te maken van veel voorkomende onzuiverheidselementen die voorkomen in aluminiumlegeringen (Si, Fe, Mn en Ni) om een hittebestendig- Al-7.44Si-2.34Fe-1.79Mn-1.12Ni-legering die noch edele metalen noch zeldzame aardelementen bevat. Onder snelle stollingsomstandigheden ondergaat deze legering niet--evenwichtssegregatie, waarbij hitte-resistente multi-component intermetallische nanoprecipitaten-een volumefractie van maximaal 14%-innemen aan de grenzen van de stollingscellen, waardoor een thermisch stabiele cellulaire microstructuur wordt gevormd. Zonder dat enige nabewerking nodig is, vertoont de legering een treksterkte bij kamertemperatuur- van 582 MPa, met sterkten van 263 MPa en 114 MPa bij respectievelijk 300 graden en 400 graden. Bovendien onthult de studie-voor het eerst in aluminiumlegeringen-een verhardingsmechanisme dat wordt aangedreven door amorfisatie in vaste- vaste toestand: tijdens vervorming bij hoge-temperatuur ondergaat een deel van de intermetallische nanoprecipitaten een amorfe transformatie in vaste toestand, waardoor uiteindelijk een "amorf + nanodeeltje (L1₂-geordende ′-(Ni,Fe)₃Al-fase)" wordt gevormd. nanobifasische structuur die een extra energiedissipatieroute biedt voor scheurvoortplanting bij hoge temperaturen.
