01 Cabaran Kontemporari: Oleh kerana ketumpatannya yang rendah, kekuatan spesifik yang tinggi, dan rintangan kakisan yang sangat baik, aloi aluminium telah menjadi bahan struktur yang amat diperlukan dalam sektor aeroangkasa, automotif dan peralatan tenaga. Walau bagaimanapun, dengan peningkatan permintaan dalam industri moden untuk geometri kompleks dan komponen ringan-berprestasi tinggi, kaedah tuangan dan pemesinan tradisional menghadapi had asas apabila mengeluarkan bahagian yang menampilkan saluran dalaman yang rumit, struktur kekisi dan-ciri berdinding nipis. Teknologi pembuatan aditif-khususnya Laser Powder Bed Fusion (LPBF) dan Laser Directed Energy Deposition (LDED)-menawarkan laluan revolusioner untuk mengatasi kesesakan pembuatan ini. Teknologi LPBF membina komponen kompleks dengan ketumpatan melebihi 99.5% dengan mencairkan lapisan serbuk pra-selektif menggunakan pancaran laser tenaga-tinggi, membina struktur lapisan demi lapisan. Dengan kadar penyejukan biasa yang mencapai tertib 10⁶ K/s, proses ini membolehkan pembentukan larutan pepejal supertepu dan{13}}struktur mikro berbutir ultrahalus yang terletak jauh melebihi keadaan pemejalan keseimbangan. Sebaliknya, teknologi LDED-yang menggunakan penyuapan serbuk secara serentak bersama-sama pencairan laser-menunjukkan kelebihan unik dalam pembaikan bahagian yang rosak, fabrikasi komponen struktur berskala besar-dan penghasilan bahan yang digredkan secara berfungsi. Namun begitu, aloi aluminium menghadapi satu siri cabaran fizikal{19}}logam yang wujud semasa proses pembuatan aditif laser. Aloi aluminium mempamerkan pemantulan lebih 90% ke arah-laser inframerah dekat (dengan panjang gelombang 1070 nm) pada suhu bilik; ini menghasilkan kecekapan gandingan tenaga yang sangat rendah, yang memerlukan penggunaan-kuasa-laser berketumpatan tinggi untuk mewujudkan kolam cair yang stabil. Tambahan pula, filem oksida tumpat (Al₂O₃) mudah terbentuk pada permukaan aloi aluminium. Dengan takat lebur 2072 darjah -jauh lebih tinggi daripada serpihan matriks aluminium (660 darjah )-pada filem oksida ini selalunya gagal mencairkan sepenuhnya dalam kolam lebur, yang kerap berfungsi sebagai tapak nukleasi untuk retakan dan punca kekurangan-kecacatan gabungan.{33}} Paling kritikal, keterlarutan hidrogen dalam aluminium cecair (kira-kira 0.7 cm³/100g) adalah jauh lebih tinggi daripada keterlarutan dalam aluminium pepejal (kira-kira 0.04 cm³/100g). Semasa proses pemejalan pesat, atom hidrogen supertepu kekurangan masa yang mencukupi untuk meresap keluar; sebaliknya, ia terkumpul di hadapan antara muka cecair-pejal untuk membentuk nukleus gelembung gas, akhirnya meninggalkan pori-pori metalurgi antara beberapa mikron hingga berpuluh-puluh mikron dalam diameter dalam struktur mikro yang diperkukuh. Sementara itu, julat suhu pemejalan yang luas bagi aloi aluminium (cth, melebihi 150 darjah untuk Al7075) dan pengecutan pemejalannya yang ketara (kira-kira 6%) menjadikannya sangat terdedah kepada keliangan pemejalan dan keretakan panas sebaik sahaja saluran suapan di ekor kolam cair ditutup. Ini merupakan cabaran teras yang dihadapi-tinggi aloi aluminium siri 2xxx dan 7xxx semasa proses LPBF. Tambahan pula, ciri kitaran haba melampau bagi pembuatan aditif laser-di mana suhu kolam leburan setempat melebihi 2000 darjah manakala serbuk dan substrat di sekeliling kekal di antara suhu bilik dan 200 darjah , menghasilkan kecerunan suhu setinggi 10⁶ K/m-menjana medan tegasan terma yang kompleks; jika dibiarkan tidak terkawal, ini boleh menyebabkan ledingan, ubah bentuk dan juga keretakan antara-lapisan.
02 Reka Bentuk Komposisi: Pada peringkat reka bentuk komposisi, sistem aloi aluminium yang digunakan secara tradisional dalam tuangan dan penempaan selalunya tidak sesuai untuk pembuatan bahan tambahan. Mengambil aloi AlSi10Mg sebagai contoh: manakala komposisi eutektiknya yang hampir-membekalkan ia dengan kecairan yang sangat baik semasa penuangan, di bawah keadaan pemejalan pantas LPBF, rangkaian kasar fasa silikon eutektik secara paradoks menjadi sumber kepekatan tegasan. Tambahan pula, kekuatan tegangan aloi pada 300 darjah menjunam kepada kira-kira 10% daripada-kekuatan suhu-biliknya, fenomena yang dikaitkan dengan kekasaran dan pembubaran struktur mikro eutektik yang cepat pada suhu tinggi. Akibatnya, pembangunan sistem aloi aluminium khusus yang disesuaikan dengan ciri-ciri unik pembuatan aditif telah muncul sebagai tempat tumpuan penyelidikan utama dalam bidang ini.
Penyelidikan yang dijalankan oleh Institut Teknologi Hijau dan Pintar Chongqing, Akademi Sains China, mendedahkan bahawa dengan menambahkan jumlah surih Sc (0.2–0.4 berat%) dan Zr (0.1–0.3 berat%) kepada aloi berasaskan Al-Mg-, fasa primer tertib berskala nano Al₃(Sc,{₂6}} struktur-boleh dibentuk *in situ* semasa proses pemejalan pantas Laser Powder Bed Fusion (LPBF). Fasa ini mempamerkan ketidakpadanan kekisi yang sangat rendah (kira-kira 1.3%) dengan -matriks Al, dengan itu berfungsi sebagai tapak nukleasi heterogen yang sangat cekap yang memperhalusi saiz butiran daripada berpuluh-puluh mikrometer hingga ke peringkat sub{12}}mikrometer. Kajian selanjutnya mencatatkan bahawa aloi Zr-Al{15}}Mg-Mn-SLM{14}}yang dibuat SLM{18}}menunjukkan struktur butiran bimodal yang berciri: tepi kolam lebur menampilkan zon butiran sama halus dengan saiz butiran purata kira-kira μm1.0, manakala lajur kolam terdiri daripada kira-kira μm1.0. zon butiran-tumbuh sepanjang arah binaan-dengan purata saiz butiran kira-kira 2.11 μm. Struktur butiran heterogen ini berpunca daripada variasi spatial dalam kecerunan suhu dan ketumpatan nukleasi dalam kolam cair; khususnya, tepi kolam cair dicirikan oleh kecerunan suhu yang curam dan pengayaan fasa utama Al₃(Sc,Zr), yang menggalakkan nukleasi heterogen, manakala pusat kolam cair mempamerkan kecerunan suhu yang sangat berarah yang memudahkan pertumbuhan epitaxial kristal sepanjang arah pelesapan haba maksimum. Terutama, walaupun Sc adalah elemen yang mahal (berharga kira-kira $3,000/kg), Zr agak murah (kira-kira $30/kg); gabungan gabungan kedua-dua elemen ini menghasilkan teras-struktur cengkerang-yang terdiri daripada teras Al₃Sc dan cengkerang Al₃Zr-yang bukan sahaja meningkatkan kestabilan terma fasa pengukuhan dengan ketara tetapi juga mengurangkan kos keseluruhan aloi dengan berkesan. Sementara itu, pasukan dari Universiti Shanghai Jiao Tong telah mencadangkan strategi reka bentuk inovatif alternatif yang berpusat pada "perancah nano eutektik boleh ubah bentuk{32}}boleh diubah bentuk." Memilih sistem-Eutektik Al-Er hampir (12.7 wt% Er) sebagai aloi model mereka, pasukan memanfaatkan keupayaan Er untuk membentuk fasa Al₃Er dengan struktur L1₂ bersama-sama dengan Al; fasa ini menunjukkan ketidakpadanan kekisi hanya 3.96% berbanding dengan -matriks Al dan dicirikan oleh banyak sistem gelincir dan kapasiti tinggi untuk berkembar. Semasa proses pencetakan LPBF, Al₃Er memendakan dalam bentuk rangka berskala nano tiga-dimensi berterusan, membentuk kira-kira 10.3 vol%. Rangka ini bukan sahaja mampu mengekalkan tegasan tinggi melebihi 1300 MPa tetapi juga memudahkan akomodasi plastik semasa ubah bentuk melalui pembentukan kembar ubah bentuk dan struktur tersusun-tempoh 9R-panjang-sehingga secara asasnya menterbalikkan tanggapan tradisional bahawa rangka eutektik adalah berbulu. Aloi Al-Er-Mg yang dicetak (RAE700) mempamerkan kekuatan hasil 632 MPa, yang terus meningkat kepada 707 MPa berikutan rawatan penuaan langsung, pada masa yang sama mengekalkan pemanjangan 7–10%; sifat komprehensif ini mengatasi semua aloi aluminium bercetak 3D-yang dilaporkan sebelum ini. Tambahan pula, pasukan penyelidik di Universiti Nagoya telah membangunkan satu siri aloi Al-Fe-Mn-Ti berdasarkan strategi "kawalan pembahagian unsur". Dengan menambahkan Cu dan Mn, mereka berjaya menstabilkan fasa Al₆Fe-menukarnya menjadi fasa pengukuhan yang bermanfaat-sambil memperkenalkan Ti secara serentak, yang membahagikan kepada fasa pepejal untuk mendorong penghalusan butiran (kira-kira 2.3 μm). Akibatnya, aloi mencapai kekuatan tegangan-suhu bilik sebanyak 390 MPa dan kemuluran 14–17%; ketara, sifat mekanikalnya kekal hampir tidak berubah walaupun selepas pendedahan haba pada 300 darjah selama 100 jam.
03 Kawalan Proses: Hubungan kuantitatif antara parameter proses dan dinamik kolam cair adalah kunci untuk menjelaskan mekanisme yang mengawal pembentukan struktur mikro dalam pembuatan aditif laser aloi aluminium. Gelagat dinamik bendalir dalam kolam cair didorong secara kolektif oleh perolakan Marangoni, tekanan mundur, daya apungan dan daya termokapiler. Antaranya, daya ricih Marangoni-yang timbul daripada kecerunan tegangan permukaan yang disebabkan oleh kecerunan suhu merentasi permukaan kolam cair-merupakan daya dominan yang memacu aliran logam cair dari pusat kolam ke arah pinggirnya. Sebaliknya, tekanan undur-yang dihasilkan oleh lentingan kuat wap logam dalam lubang kunci-mengenakan daya mampatan yang menolak logam cair ke bahagian bawah dan dinding sisi lubang kunci. Kajian menunjukkan bahawa ketumpatan tenaga isipadu (VED) berfungsi sebagai metrik kritikal untuk menentukan peralihan mod kolam cair: apabila VED melebihi kira-kira 60 J/mm³, tekanan undur penyejatan menjadi mencukupi untuk menjana lubang kunci dalam kolam cair dengan nisbah bidang lebih besar daripada 1, dengan itu memulakan "mod lubang kunci"; sebaliknya, proses itu beroperasi dalam "mod pengaliran." Walaupun mod lubang kunci memudahkan pencapaian ketumpatan bahan yang tinggi, ayunan lubang kunci yang tidak stabil-khususnya, keruntuhan berkala dinding hadapannya-merupakan mekanisme utama untuk pembentukan keliangan lubang kunci (liang biasanya berdiameter 50–200 μm). Liang-liang ini dicirikan oleh saiznya yang besar dan morfologinya yang tidak sekata, mendatangkan kemudaratan yang lebih besar kepada prestasi keletihan berbanding pori-pori metalurgi berskala halus. Penyelidikan yang dijalankan di Universiti Politeknik Barat Laut telah menunjukkan bahawa penambahan jumlah surih (0.15 wt%) penapis bijian Al-Nb-B kepada aloi AlSi10Mg boleh memodulasi dengan ketara kolumnar-ke-peralihan equiaxed (CET). Bertindak sebagai tapak nukleasi heterogen, zarah NbB₂ dan Al₃Nb yang terhasil meningkatkan pecahan isipadu butiran sama dari kurang daripada 20% kepada lebih 80%; serentak, campur tangan ini mengurangkan nisbah anisotropi plastik (ditakrifkan sebagai nisbah pemanjangan membujur kepada melintang) daripada 3.5 kepada 1.2, dengan itu mencapai keadaan isotropi yang hampir lengkap. Ciri evolusi kecacatan keliangan mempamerkan variasi yang berbeza merentas sistem aloi aluminium yang berbeza: dalam aloi siri Al-Cu, julat pemejalan yang luas menghasilkan peningkatan rintangan aliran dalam zon lembap, menjadikan penyusuan berkesan (aliran cair pampasan) lebih mencabar; akibatnya, pecahan isipadu liang metalurgi dalam aloi ini boleh mencapai 1-2%. Sebaliknya, aloi siri Al-Si-disebabkan julat pemejalan sempit yang dikaitkan dengan komposisi eutektiknya-membolehkan tahap keliangan dikawal dengan berkesan hingga di bawah 0.1%. Pembentukan tekstur kristal berkait rapat dengan lapisan-oleh-tingkah laku pemejalan lapisan; apabila strategi pengimbasan satu arah 0 darjah digunakan, a<001>tekstur berkembang sepanjang arah binaan, menghasilkan perbezaan 10–20% antara kekuatan hasil dalam arah membujur (arah binaan) dan melintang. Sebaliknya, menggunakan strategi pengimbasan putaran 67 darjah boleh mengurangkan keamatan tekstur ke tahap orientasi rawak, dengan itu pada asasnya menghapuskan anisotropi dalam sifat mekanikal. Berkenaan prestasi perkhidmatan-suhu tinggi, aloi aluminium yang dihasilkan secara tambahan mempamerkan potensi unik untuk diperkukuh bersama-sama cabaran khusus berkenaan kemerosotan harta benda. Artikel ulasan oleh Central South University mengkategorikan-mekanisme pengukuhan suhu tinggi bagi aloi aluminium buatan tambahan yang tahan haba-ke dalam tiga laluan teras. Pertama, kesan sinergistik berbilang-komponen membina seni bina berbilang-berlapis, stabil dari segi haba dengan menggabungkan elemen dengan kadar resapan yang berbeza-beza. Contohnya, dalam aloi Al-Ce-Sc-Zr, fasa eutektik Al₁₁Ce₃ yang padat dan seragam, digabungkan dengan L1₂-Intragranular Al₃(Sc,Zr), menghasilkan kesan dwi{18}; ini membolehkan aloi mengekalkan kekuatan tegangan 233 MPa pada 300 darjah dan 142 MPa pada 400 darjah, tanpa kekasaran butiran yang ketara diperhatikan walaupun selepas pendedahan haba yang berpanjangan pada 400 darjah selama 96 jam. Kedua, pengukuhan antara logam bergantung pada pemilihan sebatian antara logam dengan pekali resapan rendah dan takat lebur tinggi untuk membentuk struktur rangka tegar pada suhu tinggi. Pemalar kadar kekasaran fasa Al₁₁Ce₃ pada 400 darjah hanyalah 1.6 nm³/s-dengan ketara lebih rendah daripada fasa Al₂Cu dalam aloi Al-Cu tradisional pada suhu yang sama (kira-kira 100 nm³/s); kestabilan suhu tinggi{32}}yang unggul ini membolehkan bekas untuk terus bertindak sebagai penghalang berkesan kepada gerakan terkehel. Ketiga, peraturan skala atom{34}}menghalang kekasaran dengan memperkenalkan elemen pengasingan pada antara muka antara fasa pengukuhan dan matriks. Kajian telah menunjukkan bahawa unsur-unsur seperti Sc, Zr, Si dan Mn-yang mengasingkan pada θ′-Al₂Cu/ -Antara muka Al-boleh merendahkan tenaga antara muka dan menghalang resapan atom, dengan itu memanjangkan julat suhu perkhidmatan 2xxx0- daripada 0 darjah aloi- darjah dan 300 darjah . Satu kajian yang diterbitkan dalam *Nature Communications*-yang diketuai oleh Ahli Akademik Lu Jian dari City University of Hong Kong dengan kerjasama berbilang institusi-telah mengorak langkah ke hadapan yang ketara dengan menggunakan unsur kekotoran biasa yang terdapat dalam aloi aluminium (Si, Fe, Mn dan Ni) untuk membangunkan-tahan haba Al-7.44Si-2.34Fe-1.79Mn-Ali 1.12Ni yang tidak mengandungi logam berharga mahupun unsur nadir bumi. Di bawah keadaan pemejalan yang pantas, aloi ini mengalami pengasingan bukan{59}}keseimbangan, membenamkan-berbilang komponen-mendakan antara logam berbilang komponen-yang menduduki pecahan volum sehingga 14%-pada sempadan sel pemejalan terma, dengan itu membentuk mikrostruktur selular yang boleh distrukturkan secara mikro. Tanpa memerlukan sebarang-pemprosesan, aloi mempamerkan-kekuatan tegangan suhu bilik sebanyak 582 MPa, dengan kekuatan masing-masing 263 MPa dan 114 MPa pada 300 darjah dan 400 darjah. Tambahan pula, kajian itu mendedahkan-buat pertama kali dalam aloi aluminium-mekanisme peneguh yang didorong oleh-amorfisasi keadaan pepejal: semasa ubah bentuk{78}}suhu tinggi, sebahagian daripada mendakan nano antara logam mengalami transformasi amorfus keadaan pepejal, akhirnya membentuk nano +1₂" ′-(Ni,Fe)₃Al fasa)" struktur nanobiphasic yang menyediakan laluan pelesapan tenaga tambahan untuk perambatan retak suhu tinggi.
