01 Heriau Cyfoes: Oherwydd eu dwysedd isel, cryfder penodol uchel, a gwrthiant cyrydiad rhagorol, mae aloion alwminiwm wedi dod yn ddeunyddiau strwythurol anhepgor yn y sectorau offer awyrofod, modurol ac ynni. Fodd bynnag, gyda'r galw cynyddol mewn diwydiant modern am geometregau cymhleth a-cydrannau ysgafn perfformiad uchel, mae dulliau castio a pheiriannu traddodiadol yn wynebu cyfyngiadau sylfaenol wrth weithgynhyrchu rhannau sy'n cynnwys sianeli mewnol cymhleth, strwythurau dellt, a-nodweddion â waliau tenau. Mae technolegau gweithgynhyrchu ychwanegion-yn benodol Cyfuniad Gwelyau Powdwr Laser (LPBF) a Dyddodiad Ynni a Gyfarwyddir â Laser (LDED)-yn cynnig llwybrau chwyldroadol i oresgyn y tagfeydd gweithgynhyrchu hyn. Mae technoleg LPBF yn adeiladu cydrannau cymhleth gyda dwysedd uwch na 99.5% trwy doddi haenau powdr a adneuwyd ymlaen llaw yn ddetholus gan ddefnyddio pelydr laser ynni uchel, gan adeiladu'r strwythur fesul haen. Gyda chyfraddau oeri nodweddiadol yn cyrraedd tua 10⁶ K/s, mae'r broses hon yn galluogi ffurfio hydoddiannau solet gor-dirlawn a microstrwythurau graen mân sydd ymhell y tu hwnt i'r cyflwr solidification ecwilibriwm. I'r gwrthwyneb, mae technoleg LDED-sy'n defnyddio bwydo powdr ar yr un pryd ochr yn ochr â thoddi laser-yn dangos manteision unigryw o ran atgyweirio rhannau sydd wedi'u difrodi, gwneud cydrannau strwythurol ar raddfa fawr, a chynhyrchu deunyddiau â gradd swyddogaethol. Serch hynny, mae aloion alwminiwm yn wynebu cyfres o heriau metelegol ffisegol cynhenid yn ystod y broses gweithgynhyrchu ychwanegion laser. Mae aloion alwminiwm yn arddangos adlewyrchedd o dros 90% tuag at laserau isgoch agos (gyda thonfedd o 1070 nm) ar dymheredd ystafell; mae hyn yn arwain at effeithlonrwydd cyplu ynni hynod o isel, sy'n golygu bod angen defnyddio laserau dwysedd pŵer uchel i sefydlu pwll toddi sefydlog. Ar ben hynny, mae ffilm ocsid trwchus (Al₂O₃) yn ffurfio'n rhwydd ar wyneb aloion alwminiwm. Gyda phwynt toddi o 2072 gradd -sylweddol uwch na'r matrics alwminiwm (660 gradd)-mae darnau o'r ffilm ocsid hwn yn aml yn methu â thoddi'n llwyr o fewn y pwll tawdd, gan wasanaethu'n aml fel safleoedd cnewyllol ar gyfer craciau a ffynonellau diffyg-o-ddiffygion ymasiad. Yn bwysicaf oll, mae hydoddedd hydrogen mewn alwminiwm hylif (tua 0.7 cm³ / 100g) yn llawer uwch na'r hydoddedd mewn alwminiwm solet (tua 0.04 cm³ / 100g). Yn ystod y broses solidification cyflym, nid oes gan atomau hydrogen supersaturated ddigon o amser i wasgaru; yn lle hynny, maent yn cronni ar flaen y rhyngwyneb hylif solet i ffurfio niwclysau swigen nwy, gan adael mandyllau metelegol yn amrywio o ychydig ficronau i ddegau o ficronau mewn diamedr o fewn y microstrwythur soletedig. Yn y cyfamser, mae'r ystod tymheredd solidification eang o aloion alwminiwm (ee, yn fwy na 150 gradd ar gyfer Al7075) a'u crebachu solidification sylweddol (tua 6%) yn eu gwneud yn agored iawn i fandylledd solidification a chracio poeth unwaith y bydd y sianeli bwydo ar gynffon y pwll toddi yn cau. Dyma'r her graidd sy'n wynebu aloion alwminiwm cyfres 2xxx a 7xxx cryfder uchel yn ystod y broses LPBF. Ymhellach, mae nodwedd beicio thermol eithafol gweithgynhyrchu ychwanegion laser-lle mae tymereddau pyllau toddi lleol yn uwch na 2000 gradd tra bod y powdr a'r swbstrad amgylchynol yn aros rhwng tymheredd yr ystafell a 200 gradd, gan arwain at raddiannau tymheredd mor uchel â 10⁶ K/m-yn cynhyrchu maes straen thermol cymhleth o fewn y cydrannau ffug; os caiff ei adael heb ei reoli, gall hyn arwain at warping, anffurfio, a hyd yn oed cracio rhwng haenau.
02 Dylunio Cyfansoddiad: Ar lefel dylunio cyfansoddiad, mae'r systemau aloi alwminiwm a ddefnyddir yn draddodiadol mewn castio a ffugio yn aml yn anaddas ar gyfer gweithgynhyrchu ychwanegion. Gan gymryd yr aloi AlSi10Mg fel enghraifft: er bod ei gyfansoddiad ewtectig agos yn ei roi â hylifedd rhagorol yn ystod castio, o dan amodau solidoli cyflym LPBF, mae'r rhwydwaith bras o gyfnodau silicon ewtectig yn baradocsaidd yn dod yn ffynhonnell crynodiad straen. Ymhellach, mae cryfder tynnol yr aloi ar 300 gradd yn plymio i tua 10% o'i ystafell-cryfder tymheredd-ffenomen a briodolir i frashau a diddymiad cyflym y microstrwythur ewtectig ar dymheredd uchel. O ganlyniad, mae datblygu systemau aloi alwminiwm arbenigol wedi'u teilwra i nodweddion unigryw gweithgynhyrchu ychwanegion wedi dod i'r amlwg fel man cychwyn ymchwil allweddol yn y maes hwn.
Mae ymchwil a gynhaliwyd gan Sefydliad Technoleg Gwyrdd a Deallus Chongqing, Academi Gwyddorau Tsieineaidd, yn datgelu, trwy ychwanegu symiau hybrin o Sc (0.2–0.4 wt%) a Zr (0.1–0.3 wt%) at aloion sy’n seiliedig ar Al-Mg-, nanoscale Al₃(Sc,Zr) gellir archebu cyfnodau cynradd{6}L{1}yn meddu ar strwythur cynradd{6} *yn y fan a'r lle* yn ystod proses galedu cyflym Cyfuniad Gwely Powdwr Laser (LPBF). Mae'r cam hwn yn dangos diffyg cyfatebiaeth delltog hynod o isel (tua 1.3%) â'r -Matrics Al, a thrwy hynny'n gwasanaethu fel safle cnewyllo heterogenaidd hynod effeithlon sy'n mireinio maint y grawn o ddegau o ficrometrau i lawr i'r lefel is-micromedr. Mae'r astudiaeth yn nodi ymhellach fod yr SLM-Al-Mg-Mn-Sc-Aloi Zr yn cyflwyno strwythur grawn deufoddol nodweddiadol: mae ymylon y pwll tawdd yn cynnwys parth grawn hafalaidd mân gyda maint grawn cyfartalog o tua 1.04 μm, tra bod y parth tawdd-gron {0} yn y canol {0} yn cynnwys y pwll toddi adain{0} cyfeiriad adeiladu-gyda maint grawn cyfartalog o tua 2.11 μm. Mae'r strwythur grawn heterogenaidd hwn yn deillio o amrywiadau gofodol mewn graddiannau tymheredd a dwyseddau cnewyllol o fewn y pwll tawdd; yn benodol, nodweddir ymylon y pwll toddi gan raddiannau tymheredd serth a chyfoethogi cyfnodau cynradd Al₃(Sc,Zr), sy'n hyrwyddo cnewyllyn heterogenaidd, tra bod canolfan y pwll toddi yn arddangos graddiant tymheredd cyfeiriadol iawn sy'n hwyluso twf epitaxial crisialau ar hyd cyfeiriad y gwasgariad gwres mwyaf. Yn nodedig, er bod Sc yn elfen gostus (am bris tua $3,000/kg), mae Zr yn gymharol rad (tua $30/kg); mae adio'r ddwy elfen hyn gyda'i gilydd yn creu -strwythur cragen-sy'n cynnwys craidd Al₃Sc a chragen Al₃Zr-sydd nid yn unig yn gwella sefydlogrwydd thermol y cyfnodau cryfhau yn sylweddol ond sydd hefyd yn lleihau cost gyffredinol yr aloi yn effeithiol. Yn y cyfamser, mae tîm o Brifysgol Shanghai Jiao Tong wedi cynnig strategaeth dylunio arloesol amgen sy'n canolbwyntio ar "nanosgaffald ewtectig anffurfadwy-trawsnewidiadwy." Gan ddewis y system bron eutectic Al-Er (12.7 wt% Er) fel eu aloi model, trosolodd y tîm allu Er i ffurfio gwedd Al₃Er gyda strwythur L1₂ ar y cyd ag Al; mae'r cam hwn yn dangos diffyg cyfatebiaeth dellt o ddim ond 3.96% o'i gymharu â'r -Matrics Al ac fe'i nodweddir gan doreth o systemau llithro a chapasiti uchel ar gyfer gefeillio. Yn ystod y broses argraffu LPBF, mae Al₃Er yn gwaddodi ar ffurf sgerbwd nanoraddfa tri dimensiwn di-dor, sef tua 10.3 cyf. Mae'r sgerbwd hwn nid yn unig yn gallu cynnal pwysau uchel sy'n fwy na 1300 MPa ond mae hefyd yn hwyluso llety plastig yn ystod anffurfiad trwy ffurfio gefeilliaid anffurfio a phentyrru 9R cyfnod hir, gan wyrdroi'n sylfaenol y syniad traddodiadol mai sgerbydau ewtectig yw'r sgerbydau brau. Mae'r aloi fel yr argraffwyd Al-Er-Mg aloi (RAE700) yn arddangos cryfder cynnyrch o 632 MPa, sy'n cynyddu ymhellach i 707 MPa yn dilyn triniaeth heneiddio uniongyrchol, tra'n cynnal ehangiad o 7–10% ar yr un pryd; mae'r priodweddau cynhwysfawr hyn yn rhagori ar yr holl aloion alwminiwm printiedig 3D a adroddwyd yn flaenorol. Ymhellach, mae tîm ymchwil ym Mhrifysgol Nagoya wedi datblygu cyfres o aloion Al-Fe{-Mn{{-Ti yn seiliedig ar strategaeth "rheoli rhaniad elfennol". Trwy ychwanegu Cu a Mn, fe wnaethant sefydlogi'r cyfnod Al₆Fe yn llwyddiannus-gan ei drawsnewid yn gyfnod cryfhau buddiol-gan gyflwyno Ti ar yr un pryd, sy'n rhaniadau i'r cyfnod solet i gymell mireinio grawn (i tua 2.3 μm). O ganlyniad, mae'r aloi yn cyflawni cryfder tynnol tymheredd ystafell o 390 MPa a hydwythedd o 14–17%; yn arwyddocaol, mae ei briodweddau mecanyddol yn aros bron yn ddigyfnewid hyd yn oed ar ôl amlygiad thermol ar 300 gradd am 100 awr.
03 Rheoli Proses: Mae'r berthynas feintiol rhwng paramedrau proses a dynameg pyllau toddi yn allweddol i egluro'r mecanweithiau sy'n rheoli ffurfio microstrwythur mewn gweithgynhyrchu ychwanegion laser o aloion alwminiwm. Mae ymddygiadau deinamig hylif o fewn y pwll tawdd yn cael eu gyrru ar y cyd gan ddarfudiad Marangoni, pwysedd recoil, hynofedd, a grymoedd thermocapilari. Ymhlith y rhain, mae grymoedd cneifio Marangoni-sy'n deillio o raddiannau tensiwn arwyneb a achosir gan raddiannau tymheredd ar draws wyneb y pwll tawdd-yn gyfystyr â'r grym trech sy'n gyrru llif metel tawdd o ganol y pwll tuag at ei ymylon. I'r gwrthwyneb, mae gwasgedd recoil-a gynhyrchir gan alldafliad egnïol o anwedd metel o fewn y twll clo-yn rhoi grym cywasgol sy'n gwthio'r metel tawdd tuag at waelod a waliau ochr twll y clo. Mae astudiaethau'n dangos bod dwysedd ynni cyfeintiol (VED) yn fetrig hanfodol ar gyfer pennu trawsnewidiadau modd pwll toddi: pan fo'r VED yn fwy na tua 60 J/mm³, mae'r gwasgedd recoil anweddol yn dod yn ddigon i gynhyrchu twll clo yn y pwll toddi gyda chymhareb agwedd sy'n fwy nag 1, a thrwy hynny gychwyn y "modd twll clo"; i'r gwrthwyneb, mae'r broses yn gweithredu yn y "modd dargludiad." Er bod modd twll clo yn hwyluso cyrraedd dwysedd deunydd uchel, osgiliad ansefydlog y twll clo yn benodol, cwymp cyfnodol ei wal flaen yw'r prif fecanwaith ar gyfer ffurfio mandylledd twll clo (mandyllau yn nodweddiadol 50-200 μm mewn diamedr). Nodweddir y mandyllau hyn gan eu maint mawr a'u morffoleg afreolaidd, gan achosi llawer mwy o niwed i berfformiad blinder na mandyllau metelegol ar raddfa fach. Mae ymchwil a gynhaliwyd ym Mhrifysgol Polytechnical Northwestern wedi dangos y gall ychwanegu swm hybrin (0.15 wt%) o burwr grawn Al-Nb{-B-B i aloi AlSi10Mg yn sylweddol fodiwleiddio'r golofnog-i-drosglwyddiad hafalaidd (CET). Gan weithredu fel safleoedd cnewyllol heterogenaidd, mae'r gronynnau NbB₂ ac Al₃Nb sy'n deillio o hyn yn codi ffracsiwn cyfaint y grawn hafaledig o lai nag 20% i dros 80%; ar yr un pryd, mae'r ymyriad hwn yn lleihau'r gymhareb anisotropi plastig (a ddiffinnir fel y gymhareb o ymestyniad hydredol i ardraws) o 3.5 i 1.2, gan gyflawni cyflwr o isotropi bron yn gyflawn. Mae nodweddion esblygiadol diffygion mandylledd yn arddangos amrywiadau amlwg ar draws gwahanol systemau aloi alwminiwm: mewn aloion cyfres Al-Cu, mae'r ystod solidification eang yn arwain at fwy o wrthwynebiad llif o fewn y parth stwnsh, gan wneud bwydo effeithiol (llif toddi cydadferol) yn fwy heriol; o ganlyniad, gall ffracsiwn cyfaint y mandyllau metelegol yn yr aloion hyn gyrraedd 1-2%. Mewn cyferbyniad, mae aloion cyfres Al-Si-oherwydd yr ystod solidification gul sy'n gysylltiedig â'u cyfansoddiad ewtectig-yn caniatáu i lefelau mandylledd gael eu rheoli'n effeithiol i lai na 0.1%. Mae ffurfiant gwead grisial wedi'i gysylltu'n agos â'r haen-gan{{{{{{{{{4)}}ymddygiad solidification); pan ddefnyddir strategaeth sganio un cyfeiriad 0 gradd, a<001>mae gwead yn datblygu ar hyd y cyfeiriad adeiladu, gan arwain at wahaniaeth o 10-20% rhwng y cryfderau cnwd yn y cyfeiriad hydredol (cyfeiriad adeiladu) a chyfeiriadau traws. I'r gwrthwyneb, gall mabwysiadu strategaeth sganio cylchdro 67 gradd leihau dwyster gwead i lefel o gyfeiriadedd ar hap, a thrwy hynny yn y bôn ddileu anisotropi mewn eiddo mecanyddol. O ran perfformiad gwasanaeth tymheredd uchel, mae aloion alwminiwm a weithgynhyrchir yn ychwanegol yn dangos potensial unigryw ar gyfer cryfhau ochr yn ochr â heriau penodol o ran diraddio eiddo. Mae erthygl adolygu gan Central South University yn categoreiddio'r mecanweithiau cryfhau tymheredd uchel o aloeon alwminiwm a weithgynhyrchir ag ychwanegion sy'n gwrthsefyll gwres yn dri llwybr craidd. Yn gyntaf, mae'r effaith synergaidd aml-gydran yn adeiladu pensaernïaeth aml-haenog, thermol sefydlog trwy ymgorffori elfennau â chyfraddau trylediad amrywiol. Er enghraifft, mewn aloion Al-Ce-Sc-Zr, mae'r cyfnod ewtectig Al₁₁Ce₃ trwchus ac unffurf, wedi'i gyfuno â gwaddodion L1₂{-Al₃(Sc,Zr) mewngronynnog), yn creu effaith{18}grynachol; mae hyn yn galluogi'r aloi i gadw cryfder tynnol o 233 MPa ar 300 gradd a 142 MPa ar 400 gradd, heb unrhyw frasiad grawn sylweddol i'w weld hyd yn oed ar ôl amlygiad thermol hir ar 400 gradd am 96 awr. Yn ail, mae cryfhau rhyngfetelaidd yn dibynnu ar ddewis cyfansoddion rhyngfetelaidd gyda chyfernodau trylediad isel a phwyntiau toddi uchel i ffurfio strwythur ysgerbydol anhyblyg ar dymheredd uchel. Mae cysonyn cyfradd brashau'r cyfnod Al₁₁Ce₃ ar 400 gradd yn ddim ond 1.6 nm³/s-yn sylweddol is na'r cyfnod Al₂Cu mewn aloion Al₂Cu traddodiadol ar yr un tymheredd (tua 100 nm³/s); mae'r sefydlogrwydd tymheredd uchel uwch hwn yn caniatáu i'r cyntaf weithredu'n barhaus fel rhwystr effeithiol i fudiant dadleoli. Yn drydydd, mae rheoleiddio ar raddfa atomig yn atal brashau trwy gyflwyno elfennau gwahanu yn y rhyngwynebau rhwng cyfnodau cryfhau a'r matrics. Mae astudiaethau wedi dangos bod elfennau megis Sc, Zr, Si, a Mn-sy'n gwahanu ar y θ′-Al₂Cu/-rhyngwyneb Al-yn gallu lleihau egni rhyngwynebol ac atal trylediad atomig, a thrwy hynny ymestyn amrediad tymheredd y gwasanaeth o 2xxx{0} graddau o aloion traddodiadol i 2xxx{2} 250 gradd a 300 gradd. Mae astudiaeth a gyhoeddwyd yn *Nature Communications*-dan arweiniad yr Academydd Lu Jian o Brifysgol Dinas Hong Kong mewn cydweithrediad â sefydliadau lluosog-wedi cymryd cam sylweddol ymlaen drwy ddefnyddio elfennau amhuredd cyffredin a geir mewn aloion alwminiwm (Si, Fe, Mn, a Ni) i ddatblygu ymwrthedd gwres. Al-7.44Si-2.34Fe-1.79Mn-aloi 1.12Ni nad yw'n cynnwys unrhyw fetelau gwerthfawr nac elfennau daear prin. O dan amodau caledu cyflym, mae'r aloi hwn yn mynd trwy wahaniad anghytbwys, gan wreiddio gwres -gwrthsefyll nanoprecipitates rhyngfetelaidd aml-gydran-yn meddiannu ffracsiwn cyfaint o hyd at 14%-ar ffiniau'r celloedd solidification, a thrwy hynny yn ffurfio microstrwythur cellog yn sefydlog. Heb fod angen unrhyw brosesu postio, mae'r aloi yn arddangos cryfder tynnol tymheredd ystafell o 582 MPa, gyda chryfderau o 263 MPa a 114 MPa ar 300 gradd a 400 gradd, yn y drefn honno. Ymhellach, mae'r astudiaeth yn datgelu-am y tro cyntaf mewn aloion alwminiwm-fecanwaith caledu a yrrir gan -amorffeiddiad cyflwr: yn ystod-anffurfiannau tymheredd uchel, mae cyfran o'r nanoprecipitates rhyngfetelaidd yn mynd trwy drawsnewidiad amorffaidd cyflwr solet, gan ffurfio "gronynnol + ₂ nanomorffaidd + ₂ amorffaidd yn y pen draw). ′ - (Ni, Fe) ₃ Cyfnod Al)" strwythur nanobiphasig sy'n darparu llwybr afradu ynni ychwanegol ar gyfer lluosogi crac tymheredd uchel.
