01 Výzvy éry - Díky své nízké hustotě, vysoké měrné pevnosti a vynikající odolnosti proti korozi se hliníkové slitiny staly nepostradatelnými konstrukčními materiály v leteckém, automobilovém a energetickém sektoru. Vzhledem k tomu, že moderní průmyslová poptávka po složitých geometriích a vysokém-výkonu, návaly lehkých součástí, tradiční metody odlévání a obrábění narážejí na zásadní omezení při výrobě dílů se složitými vnitřními kanály, příhradovými strukturami a tenkostěnnými prvky. Technologie aditivní výroby-konkrétně Laser Powder Bed Fusion (LPBF) a Laser Directed Energy Deposition (LDED)-nabízejí revoluční cesty k překonání těchto výrobních překážek. Technologie LPBF využívá-vysokoenergetický laserový paprsek k selektivnímu tavení předem{10}}nanesených práškových vrstev, čímž vytváří složité součásti s hustotou přesahující 99,5 % vrstvu po vrstvě; s typickými rychlostmi ochlazování dosahujícími řádově 10⁶ K/s může produkovat přesycené pevné roztoky a ultrajemnozrnné mikrostruktury, které jsou vzdálené rovnovážným stavům tuhnutí. Mezitím technologie LDED využívající synchronní podávání prášku a tavení laserem demonstruje jedinečné výhody při opravách poškozených dílů a výrobě velkorozměrových konstrukčních součástí i materiálů s tříděným složením. Přesto se hliníkové slitiny při výrobě laserových aditiv potýkají s řadou vnitřních fyzikálních{17}metalurgických problémů. Při pokojové teplotě vykazují hliníkové slitiny odrazivost přesahující 90 % pro blízké-infračervené lasery (vlnová délka: 1070 nm), což má za následek extrémně nízkou účinnost spojování energie a k vytvoření stabilní lázně taveniny vyžaduje lasery s vysokou -výkon{23}}hustotou. Povrchy hliníkové slitiny snadno tvoří hustý oxidový film (Al2O3) s bodem tání 2072 stupňů -, který je výrazně vyšší než bod tání 660 stupňů hliníkové matrice; fragmenty tohoto oxidového filmu se často v tavné lázni úplně neroztaví, což často slouží jako iniciační místa pro praskliny a nedostatek--chybných fúzí. Ještě kritičtější je, že rozpustnost vodíku v kapalném hliníku (přibližně . 0.7 cm³/100 g) je mnohem vyšší než v pevném hliníku (přibližně . 0.04 cm³/100 g); během rychlého tuhnutí se přesycené vodíkové atomy nemohou včas rozptýlit a místo toho se hromadí na rozhraní pevná látka-kapalina za vzniku zárodků bublin, které nakonec zanechávají metalurgické póry o průměru od několika do několika desítek mikrometrů v ztuhlé mikrostruktuře. Mezitím, široký rozsah teplot tuhnutí (např. přesahující 150 stupňů pro Al7075) a významné smrštění tuhnutím (přibližně 6 %) hliníkových slitin je činí vysoce náchylnými k porozitě tuhnutí, smršťování a praskání za horka, jakmile se přívodní kanály uzavřou během závěrečných fází tuhnutí lázně taveniny; tyto problémy představují hlavní výzvy při zpracování LPBF vysokopevnostních hliníkových slitin řady 2xxx a 7xxx. Charakteristiky extrémních teplotních cyklů, které jsou vlastní výrobě laserových aditiv,-zahrnující lokalizované teploty lázně taveniny přesahující 2000 stupňů spolu s okolní teplotou prášku a substrátu v rozmezí od pokojové teploty do 200 stupňů, což má za následek teplotní gradienty až 10⁶ K/m-vytvářejí komplexní pole tepelného napětí uvnitř součásti; pokud jsou tato napětí nekontrolována, mohou vést k deformaci, deformaci nebo dokonce k praskání mezivrstvy.
02 Návrh složení - Na úrovni návrhu složení jsou slitinové systémy tradičně používané pro odlévání a kování často nevhodné pro aditivní výrobu. Vezmeme-li jako příklad slitinu AlSi10Mg, její téměř-eutektické složení propůjčuje vynikající tekutost během odlévání; avšak za podmínek rychlého tuhnutí LPBF působí hrubá eutektická křemíková fázová síť jako zdroj koncentrace napětí. Kromě toho pevnost slitiny v tahu při 300 stupních prudce klesá na přibližně 10 % její pevnosti při pokojové -teplotě-, což je jev připisovaný rychlému hrubnutí a rozpouštění eutektické mikrostruktury při vysokých teplotách. V důsledku toho se vývoj specializovaných systémů složení hliníkových slitin přizpůsobených charakteristikám aditivní výroby stal klíčovým výzkumným zaměřením v této oblasti.
Výzkum Chongqing Institute of Green and Intelligent Technology, Čínská akademie věd, odhaluje, že přidání stopových množství Sc (0,2–0,4 % hmotn.) a Zr (0,1–0,3 % hmotn. %) do slitin Al-Mg umožňuje *in situ* tvorbu primárního Al₃ (Sc,Zr₂) uspořádaného nanometrového procesu práškové struktury L1 Fusion Laser₂ během rychlých fází L1 Fusion Laser. (LPBF). Tyto fáze vykazují extrémně nízký nesoulad mřížky (přibližně 1,3 %) s -Al matricí a slouží jako vysoce účinná heterogenní nukleační místa, zjemňující velikosti zrn od desítek mikrometrů až po sub{9}}mikrometrové měřítko. Studie ukazuje, že slitina Al-Mg-Mn-Sc-Zr ve stavu -postavená jako slitina vykazuje charakteristickou bimodální strukturu zrna: oblast jemných rovnoosých zrn (průměrná velikost ~1,04 μm) na okrajích taveniny a průměrnou velikost velikosti 1 μm ve směru růstu zrn ve sloupci ~1 μm centrum taveniny. Tato heterogenní struktura zrna vzniká z prostorových změn v teplotních gradientech a hustotách nukleace v lázni taveniny; okraje se vyznačují vysokými teplotními gradienty a obohacením primárních Al3(Sc,Zr) fází, které podporují heterogenní nukleaci, zatímco střed je charakterizován silně směrovým teplotním gradientem, který podporuje epitaxní růst krystalů ve směru maximálního rozptylu tepla. Je pozoruhodné, že zatímco Sc je drahý (přibližně 3 000 USD/kg), Zr je relativně levný (přibližně 30 USD/kg); kombinované přidání těchto prvků vytváří strukturu Al₃Sc-jádro/Al₃Zr-plášť, která nejen výrazně zvyšuje tepelnou stabilitu zpevňovacích fází, ale také účinně snižuje náklady na slitiny. Mezitím tým z Shanghai Jiao Tong University navrhl inovativní designovou strategii založenou na deformovatelném-transformovatelném eutektickém nanoslešení. Jako modelovou slitinu zvolili téměř-eutektický systém Al{31}}Er (12,7 % hm. Er) využívající tvorbu L1₂-strukturované fáze Al₃Er-, která vykazuje nesoulad mřížky pouze 3,96 % s {{37}systémy Alning, spolu s ab. ab. Během procesu tisku LPBF se Al₃Er vysráží s objemovým podílem přibližně 10,3 % ve formě souvislého 3D nano-skeletu; tato kostra nejenže odolává vysokému namáhání přesahujícímu 1300 MPa, ale také usnadňuje plastickou akomodaci během deformace prostřednictvím tvorby deformačních dvojčat a uspořádaných struktur s dlouhým -obdobím 9R, čímž zásadně převrací konvenční názor, že eutektické kostry jsou ze své podstaty křehké. Tištěná-slitina Al-Er-Mg (RAE700) vykazuje mez kluzu 632 MPa, která se po přímém stárnutí zvýší na 707 MPa při zachování prodloužení 7–10 %, což vede k komplexnímu profilu výkonu, který překonává všechny dříve uváděné 3D tištěné hliníkové slitiny.{55} Kromě toho výzkumný tým na univerzitě v Nagoya vyvinul řadu slitin Al-Fe-Mn-Ti založenou na strategii „kontroly dělení prvků“; přidáním Cu a Mn pro stabilizaci Al₆Fe fáze a její přeměnu na prospěšnou zpevňovací fázi-a současné zavedení Ti, který se rozdělí do pevné fáze a zjemní zrna na přibližně 2,3 μm-slitina dosáhne pevnosti v tahu při pokojové-teplotě 390 MPa a 14–107 % zbývajícího prodloužení prakticky beze změny tepelná expozice při 300 stupních.
