01 Šiuolaikiniai iššūkiai: dėl mažo tankio, didelio specifinio stiprumo ir puikaus atsparumo korozijai aliuminio lydiniai tapo nepakeičiamomis konstrukcinėmis medžiagomis aviacijos, automobilių ir energetikos įrangos sektoriuose. Tačiau šiuolaikinėje pramonėje didėjant sudėtingų geometrijų ir didelio našumo lengvų komponentų paklausai, tradiciniai liejimo ir apdirbimo metodai susiduria su esminiais apribojimais gaminant dalis su sudėtingais vidiniais kanalais, grotelių struktūromis ir plonasienėmis savybėmis. Papildomos gamybos technologijos,{5}}ypač lazerinis miltelių sluoksnio lydymas (LPBF) ir lazeriu nukreiptas energijos nusodinimas (LDED)-siūlo revoliucinius būdus, kaip įveikti šias gamybos kliūtis. LPBF technologija sukonstruoja sudėtingus komponentus, kurių tankis viršija 99,5 %, selektyviai lydant iš anksto nusodintus miltelių sluoksnius, naudojant didelės-energijos lazerio spindulį, taip sukuriant struktūrą sluoksnis po sluoksnio. Kai įprastas aušinimo greitis siekia 10⁶ K/s, šis procesas leidžia susidaryti persotiems kietiems tirpalams ir itin smulkioms{13}}grūdelėms mikrostruktūroms, kurios yra toli už pusiausvyros kietėjimo būsenos. Ir atvirkščiai, LDED technologija,{15}}kurioje vienu metu naudojamas miltelių padavimas ir lydymas lazeriu,{16}}rodo unikalius pranašumus taisant pažeistas dalis, gaminant didelio masto konstrukcinius komponentus ir gaminant funkciškai surūšiuotas medžiagas. Nepaisant to, lazerinių priedų gamybos proceso metu aliuminio lydiniai susiduria su daugybe būdingų fizinių{19}}metalurginių iššūkių. Aliuminio lydinių atspindys yra daugiau nei 90 % artimųjų infraraudonųjų spindulių lazerių (kurių bangos ilgis 1070 nm) kambario temperatūroje; tai lemia itin žemą energijos sujungimo efektyvumą, todėl norint sukurti stabilų lydymosi baseiną, reikia naudoti didelio-galios-tankio lazerius. Be to, ant aliuminio lydinių paviršiaus lengvai susidaro tanki oksido plėvelė (Al2O3). Šios oksido plėvelės, kurios lydymosi temperatūra yra 2072 laipsniai -daug aukštesnė nei aliuminio matricos (660 laipsnių ){31}}, šios oksido plėvelės fragmentai dažnai visiškai neištirpsta lydymosi baseine, todėl dažnai jie yra įtrūkimų ir trūkumo -susiliejimo{33}} šaltinių vieta. Svarbiausia, kad vandenilio tirpumas skystame aliuminyje (apie 0,7 cm³/100 g) yra daug didesnis nei kietame aliuminiame (apie 0,04 cm³/100 g). Greito kietėjimo proceso metu persotiesiems vandenilio atomams trūksta pakankamai laiko išsisklaidyti; Vietoj to, jie kaupiasi kietojo{40}}skysčio sąsajos priekyje, kad susidarytų dujų burbuliukų branduoliai, galiausiai sustingusioje mikrostruktūroje paliekamos metalurginės poros, kurių skersmuo svyruoja nuo kelių mikronų iki dešimčių mikronų. Tuo tarpu platus aliuminio lydinių kietėjimo temperatūrų diapazonas (pvz., Al7075 viršija 150 laipsnių) ir didelis kietėjimo susitraukimas (apie 6 %) daro juos labai jautrius kietėjimo poringumui ir karštam įtrūkimui, kai užsidaro tiekimo kanalai lydalo baseino gale. Tai yra pagrindinis iššūkis, su kuriuo susiduria didelio-stiprumo 2xxx ir 7xxx serijų aliuminio lydiniai LPBF proceso metu. Be to, dėl ekstremalių lazerinių priedų gamybos šiluminio ciklo charakteristikos, kai vietinė lydalo baseino temperatūra viršija 2000 laipsnių, o aplinkinių miltelių ir substrato temperatūra išlieka nuo kambario temperatūros iki 200 laipsnių, todėl temperatūros gradientai siekia net 10⁶ K/m{56}}, sukuria sudėtingą šiluminio įtempio lauką pagamintuose komponentuose; nekontroliuojamas, gali deformuotis, deformuotis ir net tarp{57}}skilti sluoksniai.
02 Sudėties dizainas: Kompozicijos projektavimo lygmeniu aliuminio lydinio sistemos, tradiciškai naudojamos liejant ir kaliant, dažnai yra netinkamos priedų gamybai. Pavyzdžiui, AlSi10Mg lydinys: nors jo beveik -eutektinė sudėtis suteikia jam puikų sklandumą liejimo metu, greito LPBF kietėjimo sąlygomis šiurkštus eutektinio silicio fazių tinklas paradoksaliai tampa įtempių koncentracijos šaltiniu. Be to, lydinio tempiamasis stipris 300 laipsnių kampu nukrenta iki maždaug 10 % jo kambario -temperatūrinio stiprio-. Tai reiškinys, priskiriamas greitam eutektinės mikrostruktūros grubėjimui ir tirpimui aukštesnėje temperatūroje. Todėl specializuotų aliuminio lydinių sistemų, pritaikytų unikalioms priedų gamybos savybėms, kūrimas tapo pagrindiniu šios srities tyrimų tašku.
Kinijos mokslų akademijos Čongčingo žaliosios ir pažangiosios technologijos instituto atliktas tyrimas atskleidžia, kad į Al-Mg- pagrindu pagamintus lydinius pridėjus pėdsakus Sc (0,2–0,4 masės%) ir Zr (0,1–0,3 masės%), gaunama nanoskalės Al₃ (Sc, Zr) pirminė fazė. struktūra-gali susidaryti *in situ* greito lazerinio miltelių sluoksnio sintezės (LPBF) kietėjimo proceso metu. Šioje fazėje yra labai mažas gardelės neatitikimas (apie 1,3 %) su -Al matrica, todėl ji yra labai efektyvi heterogeninė branduolių susidarymo vieta, kuri patobulina grūdelių dydį nuo dešimčių mikrometrų iki sub{12}}mikrometro lygio. Be to, tyrime pažymima, kad SLM-pagamintas Al-Mg-Mn-Sc-Zr lydinys turi būdingą bimodalinę grūdėtumo struktūrą: lydalo baseino kraštuose yra smulki lygiaščių grūdelių zona, kurios vidutinis grūdelių dydis yra maždaug 1 μm. stulpelių grūdelių zona-auganti statybos kryptimi-, kurios vidutinis grūdelių dydis yra maždaug 2,11 μm. Ši nevienalytė grūdelių struktūra atsiranda dėl erdvinių temperatūros gradientų ir branduolių tankio svyravimų lydalo baseine; Konkrečiai, lydymosi baseino kraštams būdingi staigūs temperatūros gradientai ir Al3 (Sc, Zr) pirminių fazių sodrinimas, o tai skatina heterogeninį branduolių susidarymą, o lydalo baseino centre yra labai kryptingas temperatūros gradientas, kuris palengvina kristalų epitaksinį augimą maksimalios šilumos išsklaidymo kryptimi. Pažymėtina, kad nors Sc yra brangus elementas (kaina maždaug 3000 USD/kg), Zr yra palyginti nebrangus (apie 30 USD/kg); kartu pridedant šiuos du elementus sukuriama šerdies -apvalkalo struktūra-, kurią sudaro Al₃Sc šerdis ir Al₃Zr apvalkalas,{30}}kuris ne tik žymiai padidina stiprinimo fazių šiluminį stabilumą, bet ir efektyviai sumažina bendrą lydinio kainą. Tuo tarpu komanda iš Šanchajaus Jiao Tong universiteto pasiūlė alternatyvią novatorišką dizaino strategiją, kurios pagrindinis tikslas yra „deformuojamas{32}}transformuojamas eutektinis nanopakopas“. Pasirinkusi beveik -eutektinę Al-Er sistemą (12,7 masės % Er) kaip savo modelio lydinį, komanda panaudojo Er gebėjimą sudaryti Al₃Er fazę su L1₂ struktūra kartu su Al; ši fazė rodo tik 3,96 % gardelės neatitikimą, palyginti su -Al matrica, ir jai būdinga daugybė slydimo sistemų ir didelis poreikis. LPBF spausdinimo proceso metu Al₃Er nusėda ištisinio, trijų{41}}matmenų nanoskalės skeleto pavidalu, sudaro maždaug 10,3 tūrio proc. Šis skeletas ne tik gali atlaikyti didelius įtempius, viršijančius 1300 MPa, bet ir palengvina plastišką prisitaikymą deformacijos metu, nes susidaro deformaciniai dvyniai ir 9R ilgio -laikotarpio sukrauti-tvarkingos struktūros-, taip iš esmės pakeičiant tradicinę mintį, kad skeletai yra eutektiškai trapūs. As-spausdinto Al{{51}Er-Mg lydinio (RAE700) takumo riba yra 632 MPa, kuri po tiesioginio senėjimo dar padidėja iki 707 MPa, kartu išlaikant 7–10 % pailgėjimą; šios išsamios savybės pranoksta visų anksčiau aprašytų 3D{59}}spausdintų aliuminio lydinių savybes. Be to, Nagojos universiteto tyrimų grupė sukūrė Al-Fe-Mn-Ti lydinių seriją, pagrįstą „elementinio skaidymo valdymo“ strategija. Pridėjus Cu ir Mn, jie sėkmingai stabilizavo Al₆Fe fazę{65}}paversdami ją naudinga stiprinimo faze-, kartu įvesdami Ti, kuris suskaidomas į kietąją fazę, kad paskatintų grūdų rafinavimą (iki maždaug 2,3 μm). Todėl lydinio tempiamasis stipris kambario temperatūroje yra 390 MPa, o plastiškumas – 14–17 %; Jo mechaninės savybės išlieka beveik nepakitusios net po terminio poveikio 300 laipsnių 100 valandų.
03 Proceso valdymas: kiekybinis proceso parametrų ir lydalo dinamikos ryšys yra labai svarbus norint išsiaiškinti mechanizmus, reguliuojančius mikrostruktūros formavimą aliuminio lydinių gamyboje naudojant priedus lazeriu. Skysčių dinaminį elgesį lydalo baseine bendrai lemia Marangoni konvekcija, atatrankos slėgis, plūdrumas ir termokapiliarinės jėgos. Tarp jų Marangoni šlyties jėgos -susikeliančios dėl paviršiaus įtempimo gradientų, kuriuos sukelia temperatūros gradientai per lydalo baseino paviršių-sudaro dominuojančią jėgą, varanti išlydyto metalo srautą iš baseino centro link jo pakraščio. Atvirkščiai, atatrankos slėgis -sukuriamas stipriai išsklidus metalo garams rakto skylutės viduje-paveikia gniuždymo jėgą, kuri stumia išlydytą metalą link rakto skylutės apačios ir šoninių sienelių. Tyrimai rodo, kad tūrinis energijos tankis (VED) yra kritinė metrika nustatant lydymosi baseino režimo perėjimus: kai VED viršija apytiksliai 60 J/mm³, garavimo atatrankos slėgis tampa pakankamas, kad lydalo baseine susidarytų rakto skylutė, kurios kraštinių santykis didesnis nei 1, ir taip įjungiamas „rakto skylutės režimas“; atvirkščiai, procesas veikia „laidumo režimu“. Nors rakto skylutės režimas padeda pasiekti didelį medžiagos tankį, nestabilus rakto skylutės svyravimas, -konkrečiai, periodiškas jos priekinės sienelės griūtis{13}}sudaro pagrindinį rakto skylutės poringumo formavimo mechanizmą (porų skersmuo paprastai yra 50–200 μm). Šios poros pasižymi dideliu dydžiu ir netaisyklinga morfologija, todėl nuovargio savybės gerokai pablogėja nei smulkios{17}}metalurginės poros. Šiaurės vakarų politechnikos universitete atlikti tyrimai parodė, kad Al-Nb-B grūdų rafinuotojo pėdsakų (0,15 masės proc.) pridėjimas prie AlSi10Mg lydinio gali žymiai pakeisti stulpelinį -į-lygiaašį perėjimą (CET). Veikdamos kaip nevienalytės branduolio susidarymo vietos, susidariusios NbB2 ir Al3Nb dalelės padidina lygiagrečių grūdų tūrio dalį nuo mažiau nei 20 % iki daugiau kaip 80 %; tuo pačiu metu ši intervencija sumažina plastinės anizotropijos santykį (apibrėžiamas kaip išilginio ir skersinio pailgėjimo santykis) nuo 3,5 iki 1,2 ir taip pasiekiama beveik visiška izotropija. Akytumo defektų evoliucinės charakteristikos įvairiose aliuminio lydinių sistemose skiriasi: Al-Cu serijos lydiniuose platus kietėjimo diapazonas padidina pasipriešinimą srautui purioje zonoje, todėl efektyvus padavimas (kompensacinis lydalo srautas) tampa sudėtingesnis; vadinasi, metalurginių porų tūrinė dalis šiuose lydiniuose gali siekti 1–2%. Priešingai, Al-Si serijos lydiniai-dėl siauro kietėjimo diapazono, susieto su jų eutektine sudėtimi-leidžia efektyviai kontroliuoti akytumą iki mažesnio nei 0,1 %. Kristalų tekstūros susidarymas yra glaudžiai susijęs su sluoksniu-dėl-sluoksnio kietėjimo; kai naudojama 0 laipsnių vienakrypčio skenavimo strategija, a<001>tekstūra vystosi išilgai statybos krypties, todėl takumo stipris išilgine (statybos kryptimi) ir skersine kryptimis skiriasi 10–20 %. Ir atvirkščiai, 67 laipsnių pasukimo nuskaitymo strategija gali sumažinti tekstūros intensyvumą iki atsitiktinės orientacijos lygio, taip iš esmės pašalinant mechaninių savybių anizotropiją. Kalbant apie paslaugų našumą aukštoje-temperatūroje, papildomai pagaminti aliuminio lydiniai turi unikalų potencialą stiprinti kartu su specifiniais sunkumais, susijusiais su nuosavybės pablogėjimu. Centrinio Pietų universiteto apžvalginiame straipsnyje suskirstyti karščiui atsparių aliuminio lydinių aukštai temperatūrai -atsparių aliuminio lydinių mechanizmai, suskirstyti į tris pagrindinius būdus. Pirma, kelių komponentų sinergetinis efektas sukuria daugiasluoksnę, termiškai stabilią architektūrą, įtraukdamas elementus su skirtingu difuzijos greičiu. Pavyzdžiui, Al-Ce-Sc-Zr lydiniuose tanki ir vienoda Al₁₁Ce3 eutektinė fazė kartu su intragranulinėmis L1₂-Al₃(Sc,Zr) nuosėdomis sukuria dvigubą stiprinimo{{18} efektą; tai leidžia lydiniui išlaikyti 233 MPa tempimo stiprumą 300 laipsnių temperatūroje ir 142 MPa 400 laipsnių temperatūroje, nepastebėta reikšmingo grūdelių šiurkštėjimo net po ilgo terminio poveikio 400 laipsnių temperatūroje 96 valandas. Antra, tarpmetalinis stiprinimas priklauso nuo intermetalinių junginių, turinčių mažą difuzijos koeficientą ir aukštą lydymosi temperatūrą, parinkimu, kad būtų suformuota standi skeleto struktūra aukštesnėje temperatūroje. Al11Ce3 fazės šiurkštėjimo greičio konstanta esant 400 laipsnių yra tik 1,6 nm³/s-, žymiai mažesnė nei Al2Cu fazės tradiciniuose Al{30}}Cu lydiniuose esant tokiai pačiai temperatūrai (apie 100 nm³/s); šis puikus aukštos-temperatūros stabilumas leidžia pirmiesiems nuolat veikti kaip veiksminga kliūtis dislokacijos judėjimui. Trečia, atominis{34}mastelis reguliavimas slopina šiurkštumą, įvesdamas segreguojančius elementus tvirtinimo fazių ir matricos sąsajose. Tyrimai parodė, kad tokie elementai kaip Sc, Zr, Si ir Mn-, kurie atsiskiria θ′-Al₂Cu/-Al sąsajoje-, gali sumažinti sąsajos energiją ir trukdyti atominei difuzijai, taip prailgindami eksploatavimo temperatūros diapazoną nuo tradicinių {4x1xxx0 ribos{4x1}2}0. laipsnis nuo 250 iki 300 laipsnių. Tyrimas, paskelbtas žurnale *Nature Communications*-, kuriam vadovavo Honkongo miesto universiteto akademikas Lu Jianas, bendradarbiaudamas su keliomis institucijomis,{47}} padarė didelį žingsnį į priekį, panaudojant įprastus aliuminio lydiniuose (Si, Fe, Mn ir Ni) esančius priemaišų elementus, kad būtų sukurtas karščiui{48}}atsparus. Al-7,44Si-2,34Fe-1,79Mn-1,12Ni lydinys, kuriame nėra nei tauriųjų metalų, nei retųjų žemių elementų. Greito stingimo sąlygomis šis lydinys patiria ne-pusiausvyros atskyrimą, įterpdamas karščiui-atsparių daugiakomponentinių-tarpmetalinių nanonuosėdų-, kurios užima iki 14 % -tūrio dalį kietėjimo kameros ribose, todėl susidaro mikrostruktūra, tinkama terminei ląstelėms. Nereikalaujant jokio papildomo apdorojimo, lydinio tempiamasis stipris kambario temperatūroje yra 582 MPa, o stipriai atitinkamai 263 MPa ir 114 MPa esant 300 laipsnių ir 400 laipsnių kampui. Be to, tyrimas atskleidžia -pirmą kartą aliuminio lydiniuose- kietojo kūno -amorfizacijos veikiamą grūdinimo mechanizmą: aukštoje-temperatūros deformacijos metu dalis tarpmetalinių nanonuosėdų patiria kietojo kūno amorfinę transformaciją, galiausiai susidaro nanoparlamorfinė transformacija. (L12 sutvarkyta ′-(Ni,Fe)₃Al fazė)" nanobifazė struktūra, kuri suteikia papildomą energijos išsklaidymo kelią aukštos temperatūros įtrūkimams plisti.
