01 Současné výzvy: 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. S rostoucí poptávkou v moderním průmyslu po složitých geometriích a vysoce výkonných lehkých součástech však tradiční metody odlévání a obrábění čelí zásadním omezením při výrobě dílů se složitými vnitřními kanály, mřížkovými 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 konstruuje složité součásti s hustotami přesahujícími 99,5 % selektivním tavením předem nanesených práškových vrstev pomocí vysokoenergetického laserového paprsku{10}, čímž se struktura vytváří vrstvu po vrstvě. S typickými rychlostmi ochlazování dosahujícími řádově 10⁶ K/s umožňuje tento proces tvorbu přesycených pevných roztoků a ultrajemnozrnných mikrostruktur, které leží daleko za rovnovážným stavem tuhnutí. Naopak technologie LDED,-která využívá současné podávání prášku spolu s tavením laserem,{16}}demonstruje jedinečné výhody při opravách poškozených dílů, výrobě-rozsáhlých konstrukčních součástí a výrobě funkčně odstupňovaných materiálů. Přesto se hliníkové slitiny během procesu výroby laserových aditiv potýkají s řadou inherentních fyzikálních{19}metalurgických problémů. Slitiny hliníku vykazují při pokojové teplotě odrazivost více než 90 % vůči blízkým -infračerveným laserům (s vlnovou délkou 1070 nm); výsledkem je extrémně nízká účinnost propojení energie, což vyžaduje použití laserů s vysokou-výkonnou-hustotou k vytvoření stabilní lázně taveniny. Kromě toho se na povrchu hliníkových slitin snadno tvoří hustý oxidový film (Al203). S bodem tání 2072 stupňů -výrazně vyšším než má hliníková matrice (660 stupňů)-, fragmenty tohoto oxidového filmu se často v tavné lázni úplně neroztaví a často slouží jako nukleační místa pro trhliny a zdroje nedostatku--fúzních defektů. Nejdůležitější 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 procesu tuhnutí nemají přesycené vodíkové atomy dostatek času na to, aby difundovaly ven; místo toho se hromadí na přední straně rozhraní mezi pevnou látkou{40}}kapalinou a vytvářejí zárodky plynových bublin, které nakonec zanechávají metalurgické póry o průměru od několika mikronů do desítek mikronů v ztuhlé mikrostruktuře. Mezitím široký rozsah teplot tuhnutí hliníkových slitin (např. přesahující 150 stupňů pro Al7075) a jejich významné smrštění tuhnutím (přibližně 6 %) je činí vysoce náchylnými k poréznosti tuhnutí a praskání za horka, jakmile se přívodní kanály na konci lázně taveniny uzavřou. To představuje hlavní výzvu, které čelíme-vysokopevnostní hliníkové slitiny řady 2xxx a 7xxx během procesu LPBF. Kromě toho charakteristika extrémního tepelného cyklování výroby laserových aditiv-, kdy teploty lokalizované lázně taveniny překračují 2000 stupňů, zatímco okolní prášek a substrát zůstávají mezi pokojovou teplotou a 200 stupni, což má za následek teplotní gradienty až 10⁶ K/m-, vytváří ve vyrobených součástech komplexní pole tepelného napětí; pokud se to nekontroluje, může to vést k deformaci, deformaci a dokonce k praskání mezi vrstvami.
02 Návrh složení: Na úrovni návrhu složení jsou systémy hliníkových slitin tradičně používané při odlévání a kování často nevhodné pro aditivní výrobu. Vezměme si jako příklad slitinu AlSi10Mg: zatímco její téměř-eutektické složení jí dodává vynikající tekutost při odlévání, za podmínek rychlého tuhnutí LPBF se hrubá síť eutektických křemíkových fází paradoxně stává zdrojem 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 zvýšených teplotách. V důsledku toho se vývoj specializovaných systémů z hliníkových slitin, přizpůsobených jedinečným vlastnostem aditivní výroby, ukázal jako klíčový výzkumný bod v této oblasti.
Výzkum provedený Chongqing Institute of Green and Intelligent Technology, Čínská akademie věd, odhaluje, že přidáním stopových množství Sc (0,2–0,4 hmotn. %) a Zr (0,1–0,3 hmotn. %) do slitin na bázi Al-Mg-, Al₃ (Sc,Zr) v nanoměřítku}mohou být vytvořeny primární fáze L8{1}{6} *in situ* během procesu rychlého tuhnutí Laser Powder Bed Fusion (LPBF). Tato fáze vykazuje extrémně nízký nesoulad mřížky (přibližně 1,3 %) s -Al matricí, a proto slouží jako vysoce účinné heterogenní nukleační místo, které zjemňuje velikost zrna od desítek mikrometrů až po sub{12}}mikrometrovou úroveň. Studie dále uvádí, že slitina SLM-vyrobená Al-Mg-Mn-Sc-Zr má charakteristickou bimodální strukturu zrna: okraje tavné lázně mají jemnou rovnoosou zrnovou zónu s průměrnou velikostí zrna přibližně 1,04 μm sloupec podél tavné lázně, zatímco střed zrnitosti {20μm tavené lázně} směr vytváření-s průměrnou velikostí zrna přibližně 2,11 μm. Tato heterogenní struktura zrna pramení z prostorových variací v teplotních gradientech a hustotách nukleace v lázni taveniny; konkrétně okraje lázně taveniny se vyznačují strmými teplotními gradienty a obohacením primárních fází Al3(Sc,Zr), což podporuje heterogenní nukleaci, zatímco střed lázně taveniny vykazuje vysoce směrový teplotní gradient, který usnadňuje epitaxní růst krystalů ve směru maximálního rozptylu tepla. Je pozoruhodné, že zatímco Sc je nákladný prvek (cena přibližně 3 000 USD/kg), Zr je relativně levný (přibližně 30 USD/kg); kombinovaným přidáním těchto dvou prvků vzniká jádro{28}}struktura skořepiny-sestávající z jádra Al₃Sc a pláště Al₃Zr{30}}, která nejenže významně zvyšuje tepelnou stabilitu zpevňovacích fází, ale také účinně snižuje celkovou cenu slitiny. Mezitím tým z Shanghai Jiao Tong University navrhl alternativní inovativní designovou strategii zaměřenou na „deformovatelné-transformovatelné eutektické nanoslešení“. Tím, že jako modelovou slitinu zvolil téměř-eutektický Al{35}}Er systém (12,7 % hm. Er), využil schopnost Er vytvořit fázi Al₃Er se strukturou L1₂ ve spojení s Al; tato fáze vykazuje nesoulad mřížky pouze 3,96 % vzhledem k -Al matici a je charakterizována velkým množstvím skluzových systémů a vysokou kapacitou pro dvojčatění. Během procesu tisku LPBF se Al₃Er vysráží ve formě souvislé, trojrozměrné nanokostru, který tvoří přibližně 10,3 obj. %. Tato kostra je nejen schopná vydržet vysoká napětí přesahující 1300 MPa, ale také usnadňuje plastickou akomodaci během deformace prostřednictvím vytváření deformačních dvojčat a 9R dlouhých-skládání-uspořádaných struktur-, čímž zásadně převrací tradiční představu, že eutektické kostry jsou ze své podstaty křehké. Tištěná -slitina Al-Er-Mg (RAE700) vykazuje mez kluzu 632 MPa, která se po přímém stárnutí dále zvyšuje na 707 MPa při současném zachování prodloužení 7–10 %; tyto komplexní vlastnosti předčí vlastnosti všech dříve uváděných 3D-tištěných hliníkových slitin. Kromě toho výzkumný tým na univerzitě v Nagoya vyvinul řadu slitin Al-Fe-Mn-Ti na základě strategie „kontroly elementárního rozdělování“. Přidáním Cu a Mn úspěšně stabilizovali fázi Al₆Fe-a přeměnili ji na prospěšnou zpevňující fázi-a současně zavedli Ti, který se rozděluje do pevné fáze, aby vyvolal zjemnění zrna (na přibližně 2,3 μm). V důsledku toho slitina dosahuje pevnosti v tahu při pokojové teplotě 390 MPa a tažnosti 14–17 %; jeho mechanické vlastnosti zůstávají prakticky nezměněny i po tepelném vystavení při 300 stupních po dobu 100 hodin.
03 Řízení procesu: Kvantitativní vztah mezi parametry procesu a dynamikou lázně taveniny je klíčem k objasnění mechanismů, jimiž se řídí tvorba mikrostruktury při laserové aditivní výrobě hliníkových slitin. Dynamické chování kapaliny v lázni taveniny je poháněno společně Marangoniho konvekcí, tlakem zpětného rázu, vztlakem a termokapilárními silami. Mezi nimi Marangoniho smykové síly-vycházející z gradientů povrchového napětí vyvolaných teplotními gradienty na povrchu tavné lázně- tvoří dominantní sílu pohánějící tok roztaveného kovu ze středu vany směrem k jejímu okraji. Naopak tlak zpětného rázu-vytvořený prudkým vyvržením kovových par v klíčové dírce-vyvíjí tlakovou sílu, která tlačí roztavený kov směrem ke dnu a bočním stěnám klíčové dírky. Studie ukazují, že objemová hustota energie (VED) slouží jako kritická metrika pro určování přechodů mezi režimy lázně taveniny: když VED překročí přibližně 60 J/mm³, tlak zpětného rázu odpařování se stane dostatečným k vytvoření klíčové dírky v lázni taveniny s poměrem stran větším než 1, čímž se spustí „režim klíčové dírky“; naopak, proces pracuje v "režimu vedení". Ačkoli režim klíčové dírky usnadňuje dosažení vysoké hustoty materiálu, nestabilní oscilace klíčové dírky-konkrétně, periodické zhroucení její přední stěny-představuje primární mechanismus pro tvorbu poréznosti klíčové dírky (póry typicky o průměru 50–200 μm). Tyto póry se vyznačují velkou velikostí a nepravidelnou morfologií, což způsobuje podstatně větší újmu na únavovém výkonu než póry jemného-metalurgického měřítka. Výzkum provedený na Northwestern Polytechnical University prokázal, že přidání stopového množství (0,15 % hmotn.) zjemňovače zrn Al-Nb-B do slitiny AlSi10Mg může významně modulovat sloupcový-k{24}}rovnoosý přechod (CET). Výsledné částice NbB2 a Al3Nb, které působí jako heterogenní nukleační místa, zvyšují objemový podíl rovnoosých zrn z méně než 20 % na více než 80 %; současně tento zásah snižuje poměr plastické anizotropie (definovaný jako poměr podélného k příčnému prodloužení) z 3,5 na 1,2, čímž se dosáhne stavu téměř úplné izotropie. Evoluční charakteristiky defektů poréznosti vykazují zřetelné variace napříč různými systémy hliníkových slitin: u slitin řady Al-Cu má široký rozsah tuhnutí za následek zvýšený odpor toku v kašovité zóně, což ztěžuje efektivní podávání (kompenzační tok taveniny); v důsledku toho může objemový podíl metalurgických pórů v těchto slitinách dosáhnout 1–2 %. Naproti tomu slitiny řady Al-Si-díky úzkému rozsahu tuhnutí spojenému s jejich eutektickým složením-umožňují účinně řídit úrovně porozity pod 0,1 %. Tvorba krystalové textury je úzce spojena s vrstvou-podle-tuhnutí vrstvy; když je použita strategie jednosměrného skenování 0 stupňů, a<001>textura se vyvíjí ve směru stavby, což má za následek rozdíl 10–20 % mezi mez kluzu v podélném (směru stavby) a příčném směru. Naopak, přijetí strategie rotačního skenování o 67 stupňů může snížit intenzitu textury na úroveň náhodné orientace, čímž v podstatě eliminuje anizotropii mechanických vlastností. Pokud jde o výkonnost při provozu při vysokých{5}}teplotách, aditivně vyráběné hliníkové slitiny vykazují jedinečný potenciál pro zpevnění spolu se specifickými výzvami týkajícími se degradace vlastností. Přehledný článek Central South University kategorizuje mechanismy vysokoteplotního zpevňování tepelně-aditivně vyráběných hliníkových slitin do tří hlavních cest. Za prvé, vícesložkový synergický efekt vytváří vícevrstvou, tepelně stabilní architekturu začleněním prvků s různou rychlostí difúze. Například ve slitinách Al-Ce{14}}Sc-Zr vytváří hustá a stejnoměrná eutektická fáze Al₁₁Ce₃ v kombinaci s intragranulárními sraženinami L1₂-Al₃(Sc,Zr) efekt duální pevnosti{18}; to umožňuje slitině udržet si pevnost v tahu 233 MPa při 300 stupních a 142 MPa při 400 stupních, aniž by bylo pozorováno žádné významné hrubnutí zrna ani po delším tepelném vystavení při 400 stupních po dobu 96 hodin. Za druhé, intermetalické zpevnění závisí na výběru intermetalických sloučenin s nízkými difúzními koeficienty a vysokými teplotami tání, aby se vytvořila tuhá skeletová struktura při zvýšených teplotách. Rychlostní konstanta hrubnutí fáze Al₁₁Ce3 při 400 stupních je pouze 1,6 nm3/s-, což je výrazně nižší než u fáze Al₂Cu v tradičních slitinách Al-Cu při stejné teplotě (přibližně 100 nm3/s); tato vynikající vysokoteplotní-stabilita umožňuje prvnímu plynule působit jako účinná bariéra pro pohyb dislokace. Zatřetí, regulace atomového-váhu brání zhrubnutí tím, že na rozhraní mezi fázemi zpevňování a matricí zavádí segregační prvky. Studie prokázaly, že prvky jako Sc, Zr, Si a Mn-které segregují na rozhraní θ′-Al₂Cu/ -Al-mohou snižovat mezifázovou energii a bránit atomové difúzi, čímž se rozšíří provozní teplotní rozsah 2xxxsestupňů z tradičních slitin mezi 2xxx{41} 250 stupňů a 300 stupňů. Studie publikovaná v *Nature Communications*-vedená akademikem Lu Jianem z City University of Hong Kong ve spolupráci s mnoha institucemi{47}}udělala významný krok vpřed tím, že využila běžné příměsi prvků nalezených v hliníkových slitinách (Si, Fe, Mn a Ni) k vývoji tepelně-odolné Al-7,44Si-2,34Fe-1,79Mn-1,12Ni slitina, která neobsahuje drahé kovy ani prvky vzácných zemin. Za podmínek rychlého tuhnutí tato slitina prochází -nerovnovážnou segregací, přičemž se do ní vkládají tepelně-odolné více-složkové intermetalické nanoprecipitáty-zabírající objemový zlomek až 14 %-na hranicích tuhnoucích buněk, čímž se vytváří buněčná tepelně stabilní mikrostruktura. Aniž by vyžadovala jakékoli následné{71}}zpracování, slitina vykazuje pevnost v tahu při pokojové teplotě 582 MPa, s pevností 263 MPa a 114 MPa při 300 stupních a 400 stupních. Kromě toho studie odhaluje-poprvé u hliníkových slitin-mechanismus tuhnutí řízený amorfizací v pevném stavu: během vysokoteplotní deformace část intermetalických nanoprecipitátů prochází amorfní transformací v pevném stavu, čímž se nakonec vytvoří „amorfní + nanočástice ′-(Ni,Fe)₃Al fáze)“ nanobifázová struktura, která poskytuje další dráhu rozptylu energie pro šíření trhlin při vysokých teplotách.
