01 Savremeni izazovi: Zbog svoje male gustine, visoke specifične čvrstoće i odlične otpornosti na koroziju, legure aluminijuma postale su nezamenljivi strukturni materijali u sektoru vazduhoplovstva, automobilske industrije i energetske opreme. Međutim, s rastućom potražnjom u savremenoj industriji za složenim geometrijama i lakim komponentama visokih-performansi, tradicionalne metode livenja i strojne obrade suočavaju se s osnovnim ograničenjima kada se proizvode dijelovi 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 konstruiše složene komponente sa gustinom većom od 99,5% selektivnim topljenjem prethodno -nanesenih slojeva praha korišćenjem laserskog zraka visoke{10}}e energije, gradeći strukturu sloj po sloj. Sa tipičnim brzinama hlađenja koje dostižu red od 10⁶ K/s, ovaj proces omogućava formiranje prezasićenih čvrstih otopina i ultrafino{13}}zrnatih mikrostruktura koje leže daleko izvan ravnotežnog stanja skrućivanja. Suprotno tome, LDED tehnologija-koja koristi istovremeno dodavanje praha uz lasersko topljenje-pokazuje jedinstvene prednosti u popravci oštećenih dijelova, proizvodnji-konstrukcijskih komponenti velikih razmjera i proizvodnji funkcionalno gradiranih materijala. Ipak, legure aluminijuma susreću se sa nizom inherentnih fizičkih-metalurških izazova tokom procesa proizvodnje laserskih aditiva. Legure aluminijuma pokazuju refleksivnost od preko 90% prema blizu{22}}infracrvenim laserima (sa talasnom dužinom od 1070 nm) na sobnoj temperaturi; ovo rezultira izuzetno niskom efikasnošću spajanja energije, što zahtijeva upotrebu lasera velike-snage-gustine za uspostavljanje stabilnog bazena taline. Nadalje, gusti oksidni film (Al₂O₃) se lako formira na površini aluminijskih legura. Sa tačkom topljenja od 2072 stepena -značajno višom od one aluminijumske matrice (660 stepeni )-fragmenti ovog oksidnog filma često se ne mogu potpuno istopiti unutar bazena taline, često služeći kao mjesta nukleacije za pukotine i izvori nedostatka- Najkritičnije je da je rastvorljivost vodonika u tečnom aluminijumu (otprilike 0,7 cm³/100g) znatno veća od rastvorljivosti u čvrstom aluminijumu (približno 0,04 cm³/100g). Tokom brzog procesa očvršćavanja, prezasićenim atomima vodonika nedostaje dovoljno vremena da se difundiraju; umjesto toga, akumuliraju se na frontu sučelja čvrste{40}}tečnosti kako bi formirali jezgra mjehurića plina, ostavljajući za sobom metalurške pore u rasponu od nekoliko mikrona do desetina mikrona u prečniku unutar očvrsnute mikrostrukture. U međuvremenu, širok raspon temperature očvršćavanja aluminijskih legura (npr. preko 150 stepeni za Al7075) i njihovo značajno skupljanje pri očvršćavanju (otprilike 6%) čine ih vrlo osjetljivim na poroznost skrućivanja i vruće pucanje kada se kanali za napajanje na repu bazena taline zatvore. Ovo predstavlja osnovni izazov sa kojim se suočavaju -aluminijske legure visoke čvrstoće serije 2xxx i 7xxx tokom LPBF procesa. Nadalje, ekstremna termička ciklička karakteristika proizvodnje laserskih aditiva-u kojoj lokalizirane temperature bazena taline prelaze 2000 stepeni dok okolni prah i supstrat ostaju između sobne temperature i 200 stepeni, što rezultira temperaturnim gradijentima do 10⁶ K/m-generira kompleksno polje termičkog naprezanja unutar tkanine; ako se ne kontrolira, to može dovesti do savijanja, deformacije, pa čak i među{57}}pucanja među slojevima.
02 Dizajn kompozicije: Na nivou dizajna kompozicije, sistemi aluminijumskih legura koji se tradicionalno koriste u livenju i kovanju često su neprikladni za aditivnu proizvodnju. Uzimajući za primjer leguru AlSi10Mg: dok joj njen skoro{3}}eutektički sastav daje odličnu fluidnost tokom livenja, pod uslovima brzog očvršćavanja LPBF-a, gruba mreža eutektičkih silicijumskih faza paradoksalno postaje izvor koncentracije naprezanja. Nadalje, vlačna čvrstoća legure na 300 stepeni pada na otprilike 10% njene čvrstoće na sobnoj{7}temperaturnoj{8}}pojavi koja se pripisuje brzom grublju i rastvaranju eutektičke mikrostrukture na povišenim temperaturama. Shodno tome, razvoj specijalizovanih sistema od legura aluminijuma prilagođenih jedinstvenim karakteristikama aditivne proizvodnje se pojavio kao ključna istraživačka tačka u ovoj oblasti.
Istraživanje koje je proveo Institut za zelenu i inteligentnu tehnologiju Chongqing, Kineska akademija nauka, otkriva da dodavanjem količine Sc (0,2–0,4 tež.%) i Zr (0,1–0,3 tež. %) legurama na bazi Al-Mg-, nanoskala Al₃(Sc,Zr) ima primarnu fazu L₃(Sc,Zr) struktura-može se formirati *in situ* tokom brzog procesa očvršćavanja Laser Powder Bed Fusion (LPBF). Ova faza pokazuje izuzetno nisku neusklađenost rešetke (otprilike 1,3%) sa -Al matricom, čime služi kao visoko efikasno heterogeno mjesto nukleacije koje pročišćava veličinu zrna od desetina mikrometara do nivoa ispod-mikrometra. Studija dalje napominje da SLM-proizvedena legura Al-Mg-Mn{{17}Sc-Zr legura predstavlja karakterističnu bimodalnu strukturu zrna: rubovi bazena taline imaju finu ravnoosnu zonu zrna s prosječnom veličinom zrna od oko 4 μm, dok se centar zrna sastoji od približno 4 μm. stubna zona zrna-rastući duž pravca građenja-sa prosječnom veličinom zrna od približno 2,11 μm. Ova heterogena struktura zrna proizlazi iz prostornih varijacija u temperaturnim gradijentima i gustinama nukleacije unutar bazena taline; posebno, rubove bazena taline karakteriziraju strmi temperaturni gradijenti i obogaćenje primarnih faza Al₃(Sc,Zr), što potiče heterogenu nukleaciju, dok centar bazena taline pokazuje visoko usmjeren temperaturni gradijent koji olakšava epitaksijalni rast kristala duž smjera maksimalnog odvođenja topline. Naime, dok je Sc skup element (cijena oko 3000 USD/kg), Zr je relativno jeftin (otprilike 30 USD/kg); kombinovano dodavanje ova dva elementa stvara jezgro-strukturu ljuske-koje se sastoji od Al₃Sc jezgra i Al₃Zr školjke-što ne samo da značajno poboljšava termičku stabilnost faza ojačanja, već i efikasno smanjuje ukupnu cijenu legure. U međuvremenu, tim sa Univerziteta Jiao Tong u Šangaju predložio je alternativnu inovativnu strategiju dizajna usredsređenu na "deformabilnu-transformabilnu eutektičku nanoskelu." Odabravši skoro-eutektički Al-Er sistem (12,7 tež% Er) kao svoju modelnu leguru, tim je iskoristio sposobnost Era da formira Al₃Er fazu sa L1₂ strukturom u kombinaciji sa Al; ova faza pokazuje neusklađenost rešetke od samo 3,96% u odnosu na -Al matricu i karakteriše je obilje sistema klizanja i veliki kapacitet za twinning. Tokom procesa LPBF štampanja, Al₃Er se taloži u obliku kontinuiranog, trodimenzionalnog skeleta-nanorazmjera, koji čini približno 10,3 vol%. Ovaj kostur ne samo da je sposoban da izdrži visoka naprezanja koja prelaze 1300 MPa, već i olakšava plastičnu akomodaciju tokom deformacije kroz formiranje blizanaca deformacije i 9R dugo{46}}slaganja-uređenih struktura{48} čime se u osnovi preokreće tradicionalni pojam da su skelet eutec u osnovi. Kako-štampana legura Al-Er-Mg (RAE700) pokazuje granicu tečenja od 632 MPa, koja se dalje povećava na 707 MPa nakon tretmana direktnog starenja, dok istovremeno održava istezanje od 7-10%; ova sveobuhvatna svojstva nadmašuju svojstva svih ranije prijavljenih 3D-štampanih aluminijskih legura. Nadalje, istraživački tim na Univerzitetu Nagoya razvio je seriju legura Al-Fe-Mn-Ti zasnovanih na strategiji "kontrole elementarnih particija". Dodavanjem Cu i Mn, oni su uspješno stabilizirali Al₆Fe fazu-transformišući je u korisnu fazu jačanja-i istovremeno uvodeći Ti, koji se razdvaja na čvrstu fazu kako bi indukovao rafiniranje zrna (na približno 2,3 μm). Posljedično, legura postiže vlačnu čvrstoću na sobnoj{69}}od 390 MPa i duktilnost od 14–17%; značajno, njegova mehanička svojstva ostaju gotovo nepromijenjena čak i nakon 100 sati termičkog izlaganja na 300 stepeni.
03 Kontrola procesa: Kvantitativni odnos između parametara procesa i dinamike bazena taline je ključan za razjašnjavanje mehanizama koji upravljaju formiranjem mikrostrukture u laserskoj aditivnoj proizvodnji aluminijskih legura. Dinamičko ponašanje fluida unutar bazena taline je kolektivno vođeno Marangoni konvekcijom, povratnim pritiskom, uzgonom i termokapilarnim silama. Među njima, Marangoni posmične sile-koje proizlaze iz gradijenata površinske napetosti izazvane temperaturnim gradijentima preko površine bazena taline- čine dominantnu silu koja pokreće tok rastopljenog metala od centra bazena prema njegovoj periferiji. Suprotno tome, povratni pritisak-generiran snažnim izbacivanjem metalne pare unutar ključaonice-ispoljava silu pritiska koja gura rastopljeni metal prema dnu i bočnim stijenkama ključaonice. Studije pokazuju da volumetrijska gustoća energije (VED) služi kao kritična metrika za određivanje prijelaza u režimu bazena taline: kada VED prijeđe približno 60 J/mm³, povratni pritisak isparavanja postaje dovoljan da stvori ključaonicu unutar bazena taline s omjerom širine većim od 1, čime se pokreće "režim ključaonice"; obrnuto, proces radi u "kondukcijskom modu". Iako način ključaonice olakšava postizanje velike gustine materijala, nestabilno osciliranje ključaonice-posebno, periodično urušavanje njenog prednjeg zida-predstavlja primarni mehanizam za formiranje poroznosti ključaonice (pore tipično prečnika 50-200 μm). Ove pore karakterizira njihova velika veličina i nepravilna morfologija, što nanosi znatno veću štetu performansama zamora nego što to čine metalurške pore fine{17}}razmjere. Istraživanje provedeno na Sjeverozapadnom politehničkom univerzitetu pokazalo je da dodavanje količine u tragovima (0,15 tež.%) Al-Nb-B rafinera zrna AlSi10Mg leguri može značajno modulirati stupni-u{24}}ekviosni prijelaz (CET). Delujući kao heterogena nukleaciona mesta, rezultujuće čestice NbB₂ i Al₃Nb podižu zapreminski udeo ravnoosnih zrna sa manje od 20% na preko 80%; istovremeno, ova intervencija smanjuje omjer plastične anizotropije (definiran kao omjer uzdužnog i poprečnog izduženja) sa 3,5 na 1,2, čime se postiže stanje gotovo potpune izotropije. Evolucijske karakteristike defekata poroznosti pokazuju različite varijacije u različitim sistemima aluminijumskih legura: u Al-Cu seriji legura, široki raspon očvršćavanja rezultira povećanim otporom protoka unutar kašaste zone, čineći efikasno punjenje (kompenzacijski tok taline) izazovnijim; shodno tome, zapreminski udio metalurških pora u ovim legurama može doseći 1-2%. Nasuprot tome, legure Al-Si serije-zbog uskog opsega očvršćavanja povezanog sa njihovim eutektičkim sastavom-omogućavaju efektivnu kontrolu nivoa poroznosti ispod 0,1%. Formiranje kristalne teksture usko je povezano sa ponašanjem očvršćavanja sloja-po-sloju; kada se koristi strategija jednosmjernog skeniranja od 0 stupnjeva, a<001>tekstura se razvija duž pravca građenja, što rezultira razlikom od 10-20% između granica popuštanja u uzdužnom (smjer izgradnje) i poprečnom smjeru. Suprotno tome, usvajanje strategije skeniranja rotacije od 67 stepeni može smanjiti intenzitet teksture na nivo nasumične orijentacije, čime se suštinski eliminiše anizotropija mehaničkih svojstava. Što se tiče radnih performansi na visokim{5}}temperaturama, aditivno proizvedene legure aluminijuma pokazuju jedinstveni potencijal za jačanje uz specifične izazove u pogledu degradacije svojstava. Pregledni članak Univerziteta Central South kategorizira mehanizme za ojačanje na visoke-temperature aditivno proizvedenih aluminijskih legura otpornih na toplinu-u tri osnovna puta. Prvo, više{10}}komponentni sinergistički efekat konstruiše više-slojnu, termički stabilnu arhitekturu uključivanjem elemenata sa različitim brzinama difuzije. Na primjer, u Al-Ce-Sc-Zr legurama, gusta i uniformna Al₁₁Ce₃ eutektička faza, u kombinaciji sa intragranularnim L1₂-Al₃(Sc,Zr) stvara dualstreng{18 efekat; ovo omogućava leguri da zadrži zateznu čvrstoću od 233 MPa na 300 stepeni i 142 MPa na 400 stepeni, bez uočenog značajnog grubljanja zrna čak i nakon dužeg termičkog izlaganja na 400 stepeni tokom 96 sati. Drugo, intermetalno ojačanje se oslanja na odabir intermetalnih spojeva sa niskim koeficijentima difuzije i visokim tačkama topljenja kako bi se formirala kruta skeletna struktura na povišenim temperaturama. Konstanta brzine grubljanja Al₁₁Ce₃ faze na 400 stepeni je samo 1,6 nm³/s-značajno niža od one faze Al₂Cu u tradicionalnim Al-Cu legurama na istoj temperaturi (približno 100³/s); ova superiorna-stabilnost na visokim temperaturama omogućava da prvi kontinuirano djeluje kao efikasna prepreka kretanju dislokacije. Treće, regulacija atomske{34}}razmjere inhibira grubost uvođenjem segregirajućih elemenata na međusklopu između faza jačanja i matrice. Studije su pokazale da elementi kao što su Sc, Zr, Si i Mn-koji se odvajaju na θ′-Al₂Cu/ -Al interfejs-mogu sniziti međufaznu energiju i ometati atomsku difuziju, čime se proširuje raspon radne temperature od tradicionalnog ograničenja{41xx} od {41xx} 200 stepeni do između 250 stepeni i 300 stepeni. Studija objavljena u *Nature Communications*-koja je vodio akademik Lu Jian sa City University of Hong Kong u saradnji sa više institucija-napravila je značajan korak naprijed korištenjem uobičajenih nečistoća pronađenih u aluminijskim legurama (Si, Fe, Mn i Ni) za razvoj otpornosti na toplinu- Al-7.44Si-2.34Fe-1.79Mn-1.12Ni legura koja ne sadrži ni plemenite metale ni elemente retkih zemalja. U uslovima brzog skrućivanja, ova legura podleže ne-neravnotežnoj segregaciji, ugrađujući na toplotu-višekomponentne-komponentne intermetalne nanoprecipitate-koji zauzimaju zapreminski udeo do 14%-na granicama ćelije za stvrdnjavanje, formirajući mikrostrukturu ćelije. Bez potrebe za naknadnom{71}}obradom, legura pokazuje zateznu čvrstoću pri sobnoj{72}}i na sobnoj temperaturi od 582 MPa, sa čvrstoćom od 263 MPa i 114 MPa na 300 stepeni i 400 stepeni, respektivno. Nadalje, studija otkriva-po prvi put u aluminijskim legurama-mehanizam kaljenja pokretan amorfizacijom u čvrstom stanju: tokom deformacije visoke{78}}temperature, dio intermetalnih nanoprecipitata prolazi kroz amorfnu transformaciju u čvrstom stanju + konačnu transformaciju u amorfnom obliku + (L1₂-uređena ′-(Ni,Fe)₃Al faza)" nanobifazna struktura koja pruža dodatni put disipacije energije za širenje prslina pri visokim temperaturama.
