01 Izazovi ere - Zbog svoje male gustine, visoke specifične čvrstoće i odlične otpornosti na koroziju, legure aluminijuma postale su nezamjenjivi strukturni materijali u sektoru zrakoplovne, automobilske i energetske opreme. Međutim, kako moderna industrija zahtijeva složene geometrije i visoke-performanse, lake komponente, tradicionalne metode livenja i obrade suočavaju se s osnovnim ograničenjima u proizvodnji dijelova koji sadrže složene unutrašnje kanale, rešetkaste strukture i karakteristike tankih-zidova. Tehnologije aditivne proizvodnje-posebno Laser Powder Bed Fusion (LPBF) i Laser Directed Energy Deposition (LDED)- nude revolucionarne puteve za prevazilaženje ovih uskih grla u proizvodnji. LPBF tehnologija koristi laserski snop visoke{9}}energetske zrake za selektivno topljenje prethodno -nanesenih slojeva praha, gradeći složene komponente sa gustinom većom od 99,5% sloj po sloj; sa tipičnim brzinama hlađenja koje dostižu red od 10⁶ K/s, može proizvesti prezasićene čvrste otopine i ultrafino{13}}zrnate mikrostrukture koje su daleko od ravnotežnih stanja skrućivanja. U međuvremenu, LDED tehnologija, koja koristi sinhrono punjenje praha i lasersko topljenje, pokazuje jedinstvene prednosti u popravci oštećenih dijelova i proizvodnji-konstrukcijskih komponenti velikih razmjera, kao i kompozicionih materijala. Ipak, legure aluminijuma se susreću sa nizom intrinzičnih fizičkih-metalurških izazova tokom proizvodnje laserskih aditiva. Na sobnoj temperaturi, legure aluminijuma pokazuju reflektivnost veću od 90% za bliske-infracrvene lasere (talasna dužina: 1070 nm), što rezultira izuzetno niskom efikasnošću spajanja energije i zahtijeva lasere velike gustine-snage{23}}za uspostavljanje stabilnog bazena taline. Površine od legure aluminijuma lako formiraju gust oksidni film (Al₂O₃) sa tačkom topljenja od 2072 stepena -značajno višom od tačke topljenja aluminijumske matrice od 660 stepeni; fragmenti ovog oksidnog filma često se ne mogu u potpunosti istopiti unutar bazena taline, često služeći kao inicijalna mjesta za pukotine i nedostatak-defekta{29}}fuzije. Što je još kritičnije, rastvorljivost vodonika u tečnom aluminijumu (približno. 0.7 cm³/100g) je daleko veća nego u čvrstom aluminijumu (približno . 0.04 cm³/100g); tokom brzog skrućivanja, prezasićeni atomi vodonika ne mogu difundirati na vrijeme i umjesto toga se akumuliraju na sučelju čvrste-tečnosti kako bi formirali jezgra mjehurića, ostavljajući za sobom metalurške pore u rasponu od nekoliko do nekoliko desetina mikrometara u prečniku unutar očvrsnute mikrostrukture. U međuvremenu, širok raspon temperature skrućivanja (npr. preko 150 stepeni za Al7075) i značajno skupljanje pri stvrdnjavanju (približno 6%) aluminijumskih legura čine ih veoma podložnim poroznosti pri skupljanju i vrućem pucanju kada se kanali za napajanje zatvore tokom završnih faza očvršćavanja bazena taline; ovi problemi predstavljaju ključne izazove u LPBF obradi aluminijskih legura visoke-vrste 2xxx i 7xxx serije. Ekstremne karakteristike termičkog ciklusa svojstvene proizvodnji laserskih aditiva-uključujući lokalizovane temperature bazena taline koje prelaze 2000 stepeni zajedno sa okolnim temperaturama praha i podloge u rasponu od sobne temperature do 200 stepeni, što rezultira temperaturnim gradijentima do 10⁶ K/m-generišu unutar kompleksnog polja termičkog naprezanja; ako se ne kontroliraju, ova naprezanja mogu dovesti do savijanja, deformacije ili čak pucanja međuslojeva.
02 Dizajn kompozicije - Na nivou dizajna kompozicije, sistemi legura koji se tradicionalno koriste za livenje i kovanje često su neprikladni za aditivnu proizvodnju. Uzimajući za primjer leguru AlSi10Mg, njen skoro{4}}eutektički sastav daje odličnu fluidnost tokom livenja; međutim, pod uslovima brzog očvršćavanja LPBF-a, mreža grube eutektičke silicijumske faze deluje kao izvor koncentracije napona. Nadalje, vlačna čvrstoća legure na 300 stepeni pada na otprilike 10% njene čvrstoće na sobnoj{8}}temperaturnoj čvrstoći-, što je fenomen koji se pripisuje brzom grublju i rastvaranju eutektičke mikrostrukture na visokim temperaturama. Shodno tome, razvoj specijalizovanih sistema sastava aluminijumskih legura prilagođenih karakteristikama aditivne proizvodnje postao je ključni istraživački fokus u ovoj oblasti.
Istraživanje Instituta za zelenu i inteligentnu tehnologiju Chongqing, Kineska akademija nauka, otkriva da dodavanje Sc (0,2–0,4 tež%) i Zr (0,1–0,3 tež%) legurama Al-Mg omogućava *in situ* formiranje primarne faze Al₃(Sc,Zr) u nanorazmjeri, primarne faze brzog poretka sa strukturom L₃ nano razmjera, tokom procesa čvrstog reda. Laser Powder Bed Fusion (LPBF). Ove faze pokazuju izuzetno nisku neusklađenost rešetke (otprilike 1,3%) sa -Al matricom i služe kao visoko efikasna heterogena nukleaciona mjesta, rafinirajući veličine zrna od desetina mikrometara do sub-mikrometarske skale. Studija pokazuje da kao-izgrađena legura Al-Mg-Mn-Sc-Zr prikazuje karakterističnu bimodalnu strukturu zrna: područje finih ravnoosnih zrna (prosječna veličina ~1,04 μm) i područje taline. μm) raste duž pravca izgradnje u centru bazena taline. Ova heterogena struktura zrna proizlazi iz prostornih varijacija u temperaturnim gradijentima i gustinama nukleacije unutar bazena taline; rubovi imaju visoke temperaturne gradijente i obogaćenje primarnih Al₃(Sc,Zr) faza, koje promovišu heterogenu nukleaciju, dok je centar karakteriziran snažno usmjerenim temperaturnim gradijentom koji pogoduje epitaksijalnom rastu kristala duž smjera maksimalnog odvođenja topline. Naime, dok je Sc skup (oko 3000 USD/kg), Zr je relativno jeftin (oko 30 USD/kg); kombinovano dodavanje ovih elemenata stvara strukturu Al₃Sc-jezgra/Al₃Zr-ljuske koja ne samo da značajno poboljšava termičku stabilnost faza ojačanja, već i efikasno smanjuje troškove legure. U međuvremenu, tim sa Univerziteta Jiao Tong u Šangaju predložio je inovativnu strategiju dizajna zasnovanu na deformabilnoj-transformabilnoj eutektičkoj nanoskeli. Odabrali su skoro{30}}eutektički Al-Er sistem (12,7 tež.% Er) kao modelnu leguru, koristeći formiranje L1₂-strukturirane Al₃Er faze-koja pokazuje neusklađenost rešetke od samo {Al{376% i ab sistema, uz visoku slip-sistemu sposobnost bratimljenja. Tokom procesa LPBF štampanja, Al₃Er se taloži sa zapreminskim udjelom od približno 10,3% u obliku kontinuiranog 3D nano{41}}skeleta; ovaj kostur ne samo da izdržava velike naprezanja koja prelaze 1300 MPa, već i olakšava plastičnu akomodaciju tokom deformacije kroz formiranje blizanaca deformacije i 9R dugo-period slaganja uređenih struktura, čime fundamentalno preokreće konvencionalni stav da su eutektički skeleti inherentno krti. Kao-štampana legura Al-Er-Mg (RAE700) pokazuje granicu tečenja od 632 MPa, koja se nakon direktnog starenja povećava na 707 MPa uz održavanje izduženja od 7-10%, što rezultira sveobuhvatnim{prethodnim profilom performansi koji premašuje 5}D od 5} legure. Osim toga, istraživački tim na Univerzitetu Nagoya razvio je seriju legure Al-Fe-Mn-Ti zasnovanu na strategiji "kontrole particioniranja elemenata"; dodavanjem Cu i Mn za stabilizaciju Al₆Fe faze i pretvaranje je u korisnu fazu jačanja-i istovremeno uvođenje Ti koji se razdvaja u čvrstu fazu radi rafiniranja zrna do približno 2,3 μm-legura postiže sobnu-dugu MP temperaturu od 390 14–17%, a svojstva ostaju gotovo nepromijenjena nakon 100 sati termičke izloženosti na 300 stepeni.
