01 Mūsdienu izaicinājumi: to zemā blīvuma, augstās īpatnējās izturības un izcilās izturības pret koroziju dēļ alumīnija sakausējumi ir kļuvuši par neaizstājamiem konstrukcijas materiāliem kosmosa, automobiļu un enerģētikas iekārtu nozarēs. Tomēr, tā kā mūsdienu rūpniecībā pieaug pieprasījums pēc sarežģītām ģeometrijām un augstas veiktspējas vieglajiem komponentiem, tradicionālās liešanas un apstrādes metodes saskaras ar būtiskiem ierobežojumiem, ražojot detaļas ar sarežģītiem iekšējiem kanāliem, režģu struktūrām un plānām -sienām. Papildu ražošanas tehnoloģijas, -īpaši lāzera pulvera slāņa saplūšana (LPBF) un lāzera virzīta enerģijas uzklāšana (LDED)-piedāvā revolucionārus veidus, kā pārvarēt šīs ražošanas vājās vietas. LPBF tehnoloģija konstruē sarežģītas sastāvdaļas, kuru blīvums pārsniedz 99,5%, selektīvi kausējot iepriekš-uzklātus pulvera slāņus, izmantojot augstas{10}enerģijas lāzera staru, veidojot struktūru slāni pa slānim. Ar tipisku dzesēšanas ātrumu, kas sasniedz 10⁶ K/s, šis process ļauj veidot pārsātinātus cietus šķīdumus un īpaši smalkas{13}}graudainas mikrostruktūras, kas atrodas daudz tālāk par līdzsvara sacietēšanas stāvokli. Un otrādi, LDED tehnoloģija,{15}}kas izmanto pulvera vienlaicīgu padevi un lāzerkausēšanu,{16}}pierāda unikālas priekšrocības bojātu detaļu remontā, liela mēroga strukturālo komponentu ražošanā un funkcionāli šķirotu materiālu ražošanā. Tomēr lāzera piedevu ražošanas procesā alumīnija sakausējumi saskaras ar virkni fizisku{19}}metalurģisku problēmu. Alumīnija sakausējumi uzrāda vairāk nekā 90% atstarošanas spējas pret infrasarkanajiem lāzeriem (ar viļņa garumu 1070 nm) istabas temperatūrā; tas rada ārkārtīgi zemu enerģijas savienojuma efektivitāti, tāpēc ir jāizmanto lielas -jaudas-blīvuma lāzeri, lai izveidotu stabilu kausējuma baseinu. Turklāt uz alumīnija sakausējumu virsmas viegli veidojas blīva oksīda plēve (Al2O3). Šīs oksīda plēves kušanas temperatūra ir 2072 grādi -ievērojami augstāka nekā alumīnija matricas (660 grādi)-, un šīs oksīda plēves fragmenti bieži nespēj pilnībā izkausēt kušanas baseinā, bieži vien kalpojot par kodolu veidošanās vietu plaisām un trūkumu-saplūšanas{33}} avotiem. Vissvarīgākais ir tas, ka ūdeņraža šķīdība šķidrā alumīnijā (apmēram 0,7 cm³/100 g) ir ievērojami augstāka nekā cietā alumīnijā (apmēram 0,04 cm³/100 g). Ātrās sacietēšanas procesa laikā pārsātinātajiem ūdeņraža atomiem trūkst pietiekami daudz laika, lai izkliedētu ārā; tā vietā tie uzkrājas cietā{40}}šķidruma saskarnes frontē, veidojot gāzes burbuļu kodolus, galu galā sacietētajā mikrostruktūrā atstājot metalurģiskas poras, kuru diametrs ir no dažiem mikroniem līdz desmitiem mikronu. Tikmēr alumīnija sakausējumu plašais sacietēšanas temperatūras diapazons (piem., Al7075 pārsniedz 150 grādus) un ievērojamā sacietēšanas saraušanās (aptuveni 6%) padara tos ļoti jutīgus pret sacietēšanas porainību un karstu plaisāšanu, kad padeves kanāli kausējuma baseina galā ir aizvērti. Tas ir galvenais izaicinājums, ar ko saskaras augstas -izturības 2xxx un 7xxx sērijas alumīnija sakausējumi LPBF procesa laikā. Turklāt lāzera piedevu ražošanas ārkārtējais termiskais cikls,{52}}kad lokalizētā kausējuma baseina temperatūra pārsniedz 2000 grādus, bet apkārtējais pulveris un substrāts paliek no istabas temperatūras līdz 200 grādiem, kā rezultātā temperatūras gradienti ir pat 10⁶ K/m{56}}izgatavotajos komponentos rada sarežģītu termiskā stresa lauku; ja tas netiek kontrolēts, tas var izraisīt deformāciju, deformāciju un pat starpslāņu plaisāšanu.
02 Sastāva dizains: Sastāva dizaina līmenī alumīnija sakausējumu sistēmas, ko tradicionāli izmanto liešanā un kalšanā, bieži vien nav piemērotas piedevu ražošanai. Par piemēru ņemot AlSi10Mg sakausējumu: lai gan tā gandrīz -eutektiskais sastāvs nodrošina to ar lielisku plūstamību liešanas laikā, LPBF ātras sacietēšanas apstākļos rupjais eitektiskā silīcija fāžu tīkls paradoksālā kārtā kļūst par sprieguma koncentrācijas avotu. Turklāt sakausējuma stiepes izturība 300 grādu leņķī samazinās līdz aptuveni 10% no tā istabas temperatūras -temperatūras stiprības-, kas ir saistīta ar eitektiskās mikrostruktūras straujo rupjību un izšķīšanu paaugstinātā temperatūrā. Līdz ar to specializētu alumīnija sakausējumu sistēmu izstrāde, kas pielāgota unikālajām piedevu ražošanas īpašībām, ir kļuvusi par galveno pētniecības punktu šajā jomā.
Ķīnas Zinātņu akadēmijas Čuncjinas Zaļo un inteliģento tehnoloģiju institūta veiktais pētījums atklāj, ka, pievienojot nelielu daudzumu Sc (0,2–0,4 masas %) un Zr (0,1–0,3 masas %) sakausējumiem, kuru pamatā ir Al-Mg{5}}, tiek iegūta nanomēroga Al₃ (Sc, Zr) primārā secība. struktūra-var veidoties *in situ* lāzera pulvera pamatnes saplūšanas (LPBF) ātras sacietēšanas procesā. Šai fāzei ir ārkārtīgi zema režģa neatbilstība (apmēram 1,3%) ar -Al matricu, tādējādi kalpojot par ļoti efektīvu heterogēnu kodolu veidošanās vietu, kas uzlabo graudu izmēru no desmitiem mikrometru līdz sub{12}}mikrometru līmenim. Pētījumā arī norādīts, ka SLM-izgatavotajam Al-Mg-Mn-Sc-Zr sakausējumam ir raksturīga bimodāla graudu struktūra: kausējuma baseina malās ir smalka līdzsvarota graudu zona, bet vidējais graudu izmērs ir aptuveni 1 μm kausē. kolonnveida graudu zona-kas aug būves virzienā-ar vidējo graudu izmēru aptuveni 2,11 μm. Šī neviendabīgā graudu struktūra izriet no temperatūras gradientu un kodolu blīvuma telpiskām izmaiņām kausējuma baseinā; jo īpaši kausējuma baseina malām ir raksturīgi stāvi temperatūras gradienti un Al₃ (Sc, Zr) primāro fāžu bagātināšana, kas veicina neviendabīgu kodolu veidošanos, turpretim kausējuma baseina centram ir ļoti virzīts temperatūras gradients, kas veicina kristālu epitaksiālo augšanu maksimālās siltuma izkliedes virzienā. Jāatzīmē, ka, lai gan Sc ir dārgs elements (cena ir aptuveni 3000 USD/kg), Zr ir salīdzinoši lēts (apmēram USD 30/kg); apvienojot šos divus elementus, tiek izveidota kodola -apvalka struktūra-, kas sastāv no Al₃Sc kodola un Al₃Zr apvalka,{30}}kas ne tikai ievērojami uzlabo stiprināšanas fāžu termisko stabilitāti, bet arī efektīvi samazina sakausējuma kopējās izmaksas. Tikmēr komanda no Šanhajas Jiao Tong universitātes ir ierosinājusi alternatīvu novatorisku dizaina stratēģiju, kuras centrā ir "deformējams{32}}transformējams eitektiskais nanosastatnis". Izvēloties gandrīz -eutektisko Al-Er sistēmu (12,7 masas % Er) kā sava modeļa sakausējumu, komanda izmantoja Er spēju kopā ar Al veidot Al₃Er fāzi ar L1₂ struktūru; šai fāzei ir tikai 3,96% režģa neatbilstība attiecībā pret -Al matricu, un to raksturo slīdēšanas sistēmu pārpilnība un liela sadraudzības spēja. LPBF drukāšanas procesā Al₃Er izgulsnējas nepārtraukta, trīsdimensiju nanomēroga skeleta formā, kas veido aptuveni 10,3 tilpuma%. Šis skelets ne tikai spēj izturēt lielus spriegumus, kas pārsniedz 1300 MPa, bet arī veicina plastisku pielāgošanos deformācijas laikā, veidojot deformācijas dvīņus un 9R garu -periodu sakraujot-sakārtotas struktūras-, tādējādi būtiski apgāž tradicionālo priekšstatu, ka skeleti ir eitektiski trausli. As-printed Al-Er-Mg sakausējuma (RAE700) tecēšanas robeža ir 632 MPa, kas pēc tiešas novecošanas apstrādes palielinās līdz 707 MPa, vienlaikus saglabājot 7–10% pagarinājumu; šīs visaptverošās īpašības pārspēj visu iepriekš aprakstīto 3D{59}}apdrukāto alumīnija sakausējumu īpašības. Turklāt Nagojas universitātes pētnieku grupa ir izstrādājusi virkni Al-Fe-Mn-Ti sakausējumu, pamatojoties uz "elementu sadalīšanas kontroles" stratēģiju. Pievienojot Cu un Mn, tie veiksmīgi stabilizēja Al₆Fe fāzi{65}}pārveidojot to par labvēlīgu stiprināšanas fāzi-, vienlaikus ieviešot Ti, kas sadalās cietajā fāzē, lai izraisītu graudu rafinēšanu (līdz aptuveni 2,3 μm). Līdz ar to sakausējums sasniedz telpas temperatūras stiepes izturību 390 MPa un elastību 14–17%; būtiski, tā mehāniskās īpašības paliek praktiski nemainīgas pat pēc termiskās iedarbības 300 grādu temperatūrā 100 stundas.
03 Procesa kontrole: Kvantitatīvā saistība starp procesa parametriem un kausējuma baseina dinamiku ir būtiska, lai noskaidrotu mehānismus, kas regulē mikrostruktūras veidošanos alumīnija sakausējumu lāzera piedevu ražošanā. Šķidruma dinamisko uzvedību kausējuma baseinā kopīgi nosaka Marangoni konvekcija, atsitiena spiediens, peldspēja un termokapilārie spēki. Tostarp Marangoni bīdes spēki,{3}}kas rodas no virsmas spraiguma gradientiem, ko izraisa temperatūras gradienti pāri kausējuma baseina virsmai,{4}}ir dominējošais spēks, kas virza izkausētā metāla plūsmu no baseina centra uz tā perifēriju. Un otrādi, atsitiena spiediens-, ko rada spēcīga metāla tvaiku izmešana atslēgas caurumā-, iedarbojas uz spiedes spēku, kas spiež izkausēto metālu pret atslēgas cauruma dibenu un sānu malām. Pētījumi liecina, ka tilpuma enerģijas blīvums (VED) kalpo kā kritiskais rādītājs kausējuma baseina režīma pāreju noteikšanai: kad VED pārsniedz aptuveni 60 J/mm³, iztvaikošanas atsitiena spiediens kļūst pietiekams, lai kausējuma baseinā izveidotu atslēgas caurumu, kura malu attiecība ir lielāka par 1, tādējādi iedarbinot "atslēgas cauruma režīmu"; otrādi, process darbojas "vadīšanas režīmā". Lai gan atslēgas cauruma režīms veicina augsta materiāla blīvuma sasniegšanu, atslēgas cauruma nestabilās svārstības -konkrēti, tās priekšējās sienas periodiska sabrukšana{13}}ir galvenais atslēgas cauruma porainības veidošanās mehānisms (poru diametrs parasti ir 50–200 μm). Šīs poras raksturo to lielais izmērs un neregulāra morfoloģija, kas ievērojami vairāk pasliktina noguruma īpašības nekā smalkas{17}}mēroga metalurģijas poras. Ziemeļrietumu Politehniskajā universitātē veiktie pētījumi ir parādījuši, ka Al-Nb-B graudu rafinētāja neliela daudzuma (0,15 masas%) pievienošana AlSi10Mg sakausējumam var būtiski modulēt kolonnveida-uz-līdzasinājumu pāreju (CET). Darbojoties kā neviendabīgas kodolu veidošanās vietas, iegūtās NbB2 un Al3Nb daļiņas paaugstina līdzsvarotu graudu tilpuma daļu no mazāk nekā 20% līdz vairāk nekā 80%; vienlaikus šī iejaukšanās samazina plastmasas anizotropijas attiecību (definēta kā gareniskā un šķērsvirziena pagarinājuma attiecība) no 3,5 līdz 1,2, tādējādi panākot gandrīz pilnīgas izotropijas stāvokli. Porainības defektu evolūcijas raksturlielumi dažādās alumīnija sakausējumu sistēmās atšķiras: Al-Cu sērijas sakausējumos plašais sacietēšanas diapazons palielina plūsmas pretestību putrīgajā zonā, padarot efektīvu padevi (kompensējošo kausējuma plūsmu) grūtāku; līdz ar to metalurģijas poru tilpuma daļa šajos sakausējumos var sasniegt 1–2%. Turpretim Al-Si sērijas sakausējumi-sakarā ar šauru sacietēšanas diapazonu, kas saistīts ar to eitektisko sastāvu-ļauj efektīvi kontrolēt porainības līmeni zem 0,1%. Kristāla faktūras veidošanās ir cieši saistīta ar slāni-ar slāņa sacietēšanas darbību; ja tiek izmantota 0 grādu vienvirziena skenēšanas stratēģija, a<001>tekstūra veidojas gar būves virzienu, kā rezultātā starp tecēšanas robežām garenvirzienā (būves virziens) un šķērsvirzienā ir 10–20% atšķirība. Un otrādi, 67 grādu rotācijas skenēšanas stratēģijas pieņemšana var samazināt tekstūras intensitāti līdz nejaušas orientācijas līmenim, tādējādi būtībā novēršot mehānisko īpašību anizotropiju. Runājot par pakalpojumu veiktspēju augstā-temperatūras apstākļos, ar piedevām ražotiem alumīnija sakausējumiem ir unikāls stiprināšanas potenciāls līdzās specifiskām problēmām saistībā ar īpašuma pasliktināšanos. Centrālās Dienvidu universitātes apskata rakstā karstumizturīgu, ar piedevām ražotu alumīnija sakausējumu augstas temperatūras stiprināšanas mehānismi ir iedalīti trīs galvenajos veidos. Pirmkārt, daudzkomponentu sinerģiskais efekts veido daudzslāņu, termiski stabilu arhitektūru, iekļaujot elementus ar atšķirīgu difūzijas ātrumu. Piemēram, Al-Ce-Sc-Zr sakausējumos blīvā un viendabīgā Al₁₁Ce₃ eitektiskā fāze apvienojumā ar intragranulārām L1₂-Al₃(Sc,Zr) nogulsnēm rada divkāršu stiprības{{18} efektu; tas ļauj sakausējumam saglabāt stiepes izturību 233 MPa pie 300 grādiem un 142 MPa pie 400 grādiem, bez ievērojamas graudu raupšanas pat pēc ilgstošas termiskās iedarbības 400 grādu temperatūrā 96 stundas. Otrkārt, starpmetālu stiprināšana ir atkarīga no intermetālisku savienojumu izvēles ar zemiem difūzijas koeficientiem un augstu kušanas temperatūru, lai paaugstinātā temperatūrā izveidotu stingru skeleta struktūru. Al1₁Ce3 fāzes rupjības ātruma konstante pie 400 grādiem ir tikai par 1,6 nm³/s-, kas ir ievērojami zemāka nekā Al2Cu fāzes konstante tradicionālajos Al{30}}Cu sakausējumos tajā pašā temperatūrā (aptuveni 100 nm³/s); šī izcilā stabilitāte augstā temperatūrā{32}}ļauj pirmajam pastāvīgi darboties kā efektīvam šķērslim dislokācijas kustībai. Treškārt, atomu{34}mēroga regulēšana kavē rupināšanu, ieviešot segregējošus elementus saskarnēs starp stiprināšanas fāzēm un matricu. Pētījumi ir parādījuši, ka tādi elementi kā Sc, Zr, Si un Mn-, kas atdalās pie θ′-Al₂Cu/-Al saskarnes-, var pazemināt saskarnes enerģiju un kavēt atomu difūziju, tādējādi paplašinot ekspluatācijas temperatūras diapazonu no tradicionālajām {4 2xxxx0}0 robežām. grādu līdz no 250 grādiem līdz 300 grādiem. Pētījumā, kas publicēts vietnē *Nature Communications*-, kuru vadīja akadēmiķis Lu Dzjans no Honkongas Pilsētas universitātes sadarbībā ar vairākām iestādēm-ir sperts nozīmīgs solis uz priekšu, izmantojot parastos piemaisījumu elementus, kas atrodami alumīnija sakausējumos (Si, Fe, Mn un Ni), lai izveidotu karstumizturīgu{48}} Al-7,44Si-2,34Fe-1,79Mn-1,12Ni sakausējums, kas nesatur ne dārgmetālus, ne retzemju elementus. Ātrās sacietēšanas apstākļos šis sakausējums tiek pakļauts ne-līdzsvara segregācijai, iegulstot karstumizturīgus daudzkomponentu starpmetālu nanonogulsnes-, kas aizņem līdz pat 14%{70}}pie cietināšanas šūnas robežām, tādējādi veidojot termiski strukturētu šūnu. Bez jebkādas pēcapstrādes sakausējuma stiepes izturība istabas temperatūrā ir 582 MPa, bet stiprība ir attiecīgi 263 MPa un 114 MPa pie 300 grādu un 400 grādi. Turklāt pētījums pirmo reizi atklāj-alumīnija sakausējumos-rūdīšanas mehānismu, ko darbina cietvielu-amorfizācija: augstas-temperatūras deformācijas laikā daļa starpmetālisko nanonogulšņu tiek pakļauta cietvielu amorfai transformācijai, kas galu galā veido nanoparamorfu. (L12 sakārtota ′-(Ni,Fe)₃Al fāze)" nanobifāzu struktūra, kas nodrošina papildu enerģijas izkliedes ceļu plaisu izplatībai augstā temperatūrā.
