01 Çağın Zorlukları - Düşük yoğunlukları, yüksek özgül dayanımları ve mükemmel korozyon dirençleri nedeniyle alüminyum alaşımları havacılık, otomotiv ve enerji ekipmanı sektörlerinde vazgeçilmez yapısal malzemeler haline gelmiştir. Bununla birlikte, modern endüstrinin karmaşık geometrilere ve yüksek-performansa, hafif bileşenlere olan talebi arttıkça, geleneksel döküm ve işleme yöntemleri, karmaşık iç kanallara, kafes yapılara ve ince duvarlı özelliklere sahip parçaların imalatında temel-sınırlamalarla karşı karşıya kalır. Eklemeli üretim teknolojileri (özellikle Lazer Toz Yataklı Füzyon (LPBF) ve Lazer Yönlendirilmiş Enerji Birikimi (LDED)-) bu üretim darboğazlarının üstesinden gelmek için devrim niteliğinde yollar sunar. LPBF teknolojisi, önceden biriktirilmiş toz katmanlarını seçici olarak eritmek için yüksek-enerjili bir lazer ışını kullanır ve katman katman %99,5'i aşan yoğunluğa sahip karmaşık bileşenler oluşturur; 10⁶ K/s mertebesine ulaşan tipik soğuma hızlarıyla, aşırı doymuş katı çözeltiler ve denge katılaşma durumlarından çok uzak ultra ince-tanecikli mikro yapılar üretebilir. Bu arada, eşzamanlı toz besleme ve lazer eritme kullanan LDED teknolojisi, hasarlı parçaların onarılmasında ve büyük{15}}ölçekli yapısal bileşenlerin yanı sıra bileşimsel olarak derecelendirilmiş malzemelerin üretilmesinde benzersiz avantajlar sergiliyor. Bununla birlikte, alüminyum alaşımları lazer katmanlı üretim sırasında bir dizi fiziksel{17}}metalurjik zorlukla karşılaşır. Oda sıcaklığında, alüminyum alaşımları yakın kızılötesi lazerler (dalga boyu: 1070 nm) için %90'ı aşan bir yansıtma sergiler; bu da son derece düşük enerji birleştirme verimliliğine yol açar ve stabil bir erime havuzu oluşturmak için yüksek-güç-yoğunluklu lazerler gerektirir. Alüminyum alaşımlı yüzeyler kolaylıkla, alüminyum matrisin 660 derecelik erime noktasından önemli ölçüde daha yüksek olan 2072 derece -erime noktasına sahip yoğun bir oksit filmi (Al₂O₃) oluşturur; bu oksit filmin parçaları genellikle eriyik havuzu içinde tamamen erimez ve çoğunlukla çatlaklar ve füzyon kusurlarının olmaması için başlangıç bölgeleri olarak hizmet eder. Daha da önemlisi, hidrojenin sıvı alüminyumdaki çözünürlüğü (yaklaşık. 0.7 cm³/100g), katı alüminyumdan (yaklaşık. 0.04 cm³/100g) çok daha yüksektir; hızlı katılaşma sırasında, aşırı doymuş hidrojen atomları zamanla dışarı yayılamaz ve bunun yerine katı-sıvı arayüzünde birikerek kabarcık çekirdekleri oluşturur ve sonuçta katılaşmış mikro yapı içinde çapı birkaç ila birkaç on mikrometre arasında değişen metalurjik gözenekleri geride bırakır. Bu arada, alüminyum alaşımlarının geniş katılaşma sıcaklığı aralığı (örneğin, Al7075 için 150 dereceyi aşan) ve önemli katılaşma büzülmesi (yaklaşık %6), onları, eriyik havuzu katılaşmasının son aşamaları sırasında besleme kanalları kapandığında katılaşma büzülmesi gözenekliliğine ve sıcak çatlamaya karşı oldukça duyarlı hale getirir; bu sorunlar, yüksek mukavemetli 2xxx ve 7xxx serisi alüminyum alaşımlarının LPBF işlenmesindeki temel zorlukları temsil etmektedir. 2000 dereceyi aşan yerel erime havuzu sıcaklıklarının yanı sıra oda sıcaklığından 200 dereceye kadar değişen çevredeki toz ve alt tabaka sıcaklıklarını içeren, 10⁶ K/m kadar yüksek sıcaklık gradyanlarına yol açan lazer katkılı üretimin doğasında olan aşırı termal döngü özellikleri-bileşen içinde karmaşık termal stres alanları oluşturur; Kontrolsüz bırakılırsa bu gerilimler bükülmeye, deformasyona ve hatta katmanlar arası çatlamaya neden olabilir.
02 Bileşim Tasarımı - Bileşim tasarımı düzeyinde, geleneksel olarak döküm ve dövme için kullanılan alaşım sistemleri genellikle katmanlı imalat için uygun değildir. Örnek olarak AlSi10Mg alaşımını ele alırsak, ötektiğe yakın bileşimi, döküm sırasında mükemmel akışkanlık kazandırır; bununla birlikte, LPBF'nin hızlı katılaşma koşulları altında kaba ötektik silikon fazı ağı, bir stres konsantrasyonu kaynağı olarak hareket eder. Ayrıca, alaşımın 300 derecedeki gerilme mukavemeti, oda-sıcaklık mukavemetinin-yaklaşık %10'una düşer; bu durum, yüksek sıcaklıklarda ötektik mikro yapının hızla kabalaşmasına ve çözünmesine atfedilir. Sonuç olarak, katmanlı imalatın özelliklerine göre uyarlanmış özel alüminyum alaşımı bileşim sistemlerinin geliştirilmesi, bu alanda önemli bir araştırma odağı haline geldi.
Çin Bilimler Akademisi, Chongqing Yeşil ve Akıllı Teknoloji Enstitüsü tarafından yapılan araştırma, Al-Mg alaşımlarına eser miktarlarda Sc (%0,2-0,4 ağırlık) ve Zr (%0,1-0,3 ağırlık) eklenmesinin, Lazer Toz Yatak Füzyonunun (LPBF) hızlı katılaşma süreci sırasında L1₂ sıralı yapıya sahip nano ölçekli birincil Al₃(Sc,Zr) fazlarının *yerinde* oluşumunu mümkün kıldığını ortaya koymaktadır. Bu fazlar, -Al matrisi ile son derece düşük kafes uyumsuzluğu (yaklaşık %1,3) sergiler ve tane boyutlarını onlarca mikrometreden mikrometre altı ölçeğe kadar incelten yüksek verimli heterojen çekirdeklenme bölgeleri olarak hizmet eder. Çalışma, -yapılı Al-Mg-Mn-Sc-Zr alaşımının karakteristik bir iki modlu tane yapısı sergilediğini gösteriyor: erime havuzu kenarlarında ince eş eksenli tanelerden oluşan bir bölge (ortalama boyut ~1,04 μm) ve erime havuzunun merkezinde yapım yönü boyunca büyüyen sütunlu tanelerden oluşan bir bölge (ortalama boyut ~2,11 μm). Bu heterojen tane yapısı, eriyik havuzu içindeki sıcaklık gradyanlarındaki ve çekirdeklenme yoğunluklarındaki uzaysal değişikliklerden kaynaklanır; kenarlar yüksek sıcaklık gradyanlarına ve heterojen çekirdeklenmeyi teşvik eden birincil Al₃(Sc,Zr) fazlarının zenginleşmesine sahiptir; oysa merkez, maksimum ısı dağılımı yönü boyunca epitaksiyel kristal büyümesini destekleyen güçlü bir yönlü sıcaklık gradyanı ile karakterize edilir. Özellikle Sc pahalı olmasına rağmen (yaklaşık 3.000 $/kg), Zr nispeten ucuzdur (yaklaşık 30 $/kg); bu elemanların bir arada eklenmesi, yalnızca güçlendirme fazlarının termal stabilitesini önemli ölçüde artırmakla kalmayıp aynı zamanda alaşım maliyetlerini de etkili bir şekilde azaltan bir Al₃Sc-çekirdek/Al₃Zr-kabuk yapısı oluşturur. Bu arada, Şangay Jiao Tong Üniversitesi'nden bir ekip, deforme olabilen{28}}ötektik nano yapı iskelesine dayanan yenilikçi bir tasarım stratejisi önerdi. Model alaşım olarak, -Al ile yalnızca %3,96 kafes uyumsuzluğu sergileyen L1₂-yapılı Al₃Er fazının- oluşumunu kullanarak, bol miktarda kayma sistemi ve yüksek ikizlenme kapasitesinden yararlanan, yakın-ötektik Al-Er sistemini (ağırlıkça %12,7 Er) seçtiler. LPBF yazdırma işlemi sırasında Al₃Er, sürekli bir 3 boyutlu nano-iskelet formunda yaklaşık %10,3 hacim oranıyla çöker; bu iskelet yalnızca 1300 MPa'yı aşan yüksek gerilimlere dayanmakla kalmaz, aynı zamanda deformasyon ikizlerinin ve 9R uzun süreli istifleme sıralı yapıların oluşumu yoluyla deformasyon sırasında plastik konaklamayı kolaylaştırır, böylece ötektik iskeletlerin doğası gereği kırılgan olduğu yönündeki geleneksel görüşü temelden alt üst eder. As-baskılı Al-Er-Mg alaşımı (RAE700), 632 MPa'lık bir akma dayanımı sergiler; bu, %7-10'luk bir uzamayı korurken, doğrudan yaşlandırma sonrasında 707 MPa'ya yükselir; bu, daha önce bildirilen tüm 3D-baskılı alüminyum alaşımlarını aşan kapsamlı bir performans profiliyle sonuçlanır. Ek olarak, Nagoya Üniversitesi'ndeki bir araştırma ekibi, "element bölümleme kontrolü" stratejisini temel alan bir Al-Fe-Mn-Ti alaşım serisi geliştirdi; Al₆Fe fazını stabilize etmek ve onu faydalı bir güçlendirme fazına dönüştürmek için Cu ve Mn ekleyerek-aynı zamanda taneleri yaklaşık 2,3 μm'ye kadar inceltmek için katı faza ayrılan Ti'yi dahil ederek-alaşım, oda-sıcaklığında 390 MPa'lık bir çekme dayanımına ve %14-17'lik bir uzamaya ulaşır; özellikleri, 300°C'de 100 saatlik termal maruziyetten sonra neredeyse hiç değişmeden kalır. derece.
