01 Вызовы эпохи - Благодаря своей низкой плотности, высокой удельной прочности и превосходной коррозионной стойкости алюминиевые сплавы стали незаменимыми конструкционными материалами в секторах аэрокосмического, автомобильного и энергетического оборудования. Однако, поскольку в современной промышленности растет спрос на сложные геометрические формы и высокопроизводительные, легкие компоненты, традиционные методы литья и механической обработки сталкиваются с фундаментальными ограничениями при производстве деталей со сложными внутренними каналами, решетчатыми структурами и тонкостенными-элементами. Технологии аддитивного производства,-в частности, лазерная сварка в порошковом слое (LPBF) и лазерно-направленное энергетическое напыление (LDED)-открывают революционные пути преодоления этих узких мест в производстве. Технология LPBF использует высокоэнергетический лазерный луч для выборочного плавления предварительно-слоев порошка, создавая сложные компоненты с плотностью, превышающей 99,5%, слой за слоем; с типичными скоростями охлаждения, достигающими порядка 10⁶ К/с, он может образовывать пересыщенные твердые растворы и ультрамелкозернистые микроструктуры, далекие от равновесных состояний затвердевания. Между тем, технология LDED, использующая синхронную подачу порошка и лазерное плавление, демонстрирует уникальные преимущества при ремонте поврежденных деталей и производстве крупномасштабных конструкционных компонентов, а также материалов с градиентным составом. Тем не менее, алюминиевые сплавы сталкиваются с рядом внутренних физических-металлургических проблем во время лазерного аддитивного производства. При комнатной температуре алюминиевые сплавы демонстрируют коэффициент отражения, превышающий 90 % для лазеров ближнего-инфракрасного диапазона (длина волны: 1070 нм), что приводит к чрезвычайно низкой эффективности связи по энергии и требует использования лазеров с высокой-мощностью-плотностью для создания стабильной ванны расплава. Поверхности алюминиевых сплавов легко образуют плотную оксидную пленку (Al₂O₃) с температурой плавления 2072 градуса -, что значительно выше, чем температура плавления 660 градусов алюминиевой матрицы; фрагменты этой оксидной пленки часто не могут полностью расплавиться в ванне расплава, часто служа местами зарождения трещин и отсутствия--дефектов плавления. Еще более важно то, что растворимость водорода в жидком алюминии (приблизительно . 0.7 см³/100 г) намного выше, чем в твердом алюминии (приблизительно . 0.04 см³/100 г); во время быстрого затвердевания пересыщенные атомы водорода не могут диффундировать во времени, а вместо этого накапливаются на границе раздела твердое тело-жидкость, образуя зародыши пузырьков, в конечном итоге оставляя после себя металлургические поры диаметром от нескольких до нескольких десятков микрометров внутри затвердевшей микроструктуры. Между тем, широкий диапазон температур затвердевания (например, более 150 градусов для Al7075) и значительная усадка при затвердевании (около 6%) алюминиевых сплавов делают их очень восприимчивыми к усадочной пористости и горячему растрескиванию после закрытия питающих каналов на заключительных стадиях затвердевания ванны расплава; Эти проблемы представляют собой основные проблемы при обработке LPBF высокопрочных алюминиевых сплавов серий 2xxx и 7xxx. Экстремальные термоциклические характеристики, свойственные лазерному аддитивному производству,-включающие температуру локализованной ванны расплава, превышающую 2000 градусов, а также температуру окружающего порошка и подложки в диапазоне от комнатной температуры до 200 градусов, что приводит к градиентам температуры до 10⁶ К/м-генерируют сложные поля термического напряжения внутри компонента; если оставить их без контроля, эти напряжения могут привести к короблению, деформации или даже межслоевому растрескиванию.
02 Проектирование состава - На уровне проектирования состава системы сплавов, традиционно используемые для литья и ковки, часто непригодны для аддитивного производства. Если взять в качестве примера сплав AlSi10Mg, то его состав, близкий к -эвтектическому, обеспечивает превосходную текучесть во время литья; однако в условиях быстрого затвердевания LPBF грубая эвтектическая сетка фаз кремния действует как источник концентрации напряжений. Кроме того, предел прочности сплава при 300 градусах падает примерно до 10 % от его прочности при комнатной-температуре-, и это явление объясняется быстрым огрублением и растворением эвтектической микроструктуры при высоких температурах. Следовательно, разработка специализированных систем состава алюминиевых сплавов, адаптированных к характеристикам аддитивного производства, стала ключевым направлением исследований в этой области.
Исследования Института экологически чистых и интеллектуальных технологий Чунцина Китайской академии наук показывают, что добавление следовых количеств Sc (0,2–0,4 мас.%) и Zr (0,1–0,3 мас.%) к сплавам Al-Mg позволяет образовывать *in situ* наноразмерные первичные фазы Al₃(Sc,Zr) с упорядоченной структурой L1₂ во время процесса быстрой затвердевания методом лазерной порошковой сварки (LPBF). Эти фазы демонстрируют чрезвычайно низкое несоответствие решеток (приблизительно 1,3%) с матрицей -Al и служат высокоэффективными центрами гетерогенного зародышеобразования, уменьшая размеры зерен от десятков микрометров до суб-микрометров. Исследование показывает, что исходный сплав Al-Mg-Mn-Sc-Zr демонстрирует характерную бимодальную зеренную структуру: область мелких равноосных зерен (средний размер ~1,04 мкм) по краям ванны расплава и область столбчатых зерен (средний размер ~2,11 мкм), растущих вдоль направления сборки в центре ванны расплава. Эта неоднородная зернистая структура возникает из-за пространственных изменений температурных градиентов и плотности зародышеобразования внутри ванны расплава; края имеют высокие температурные градиенты и обогащение первичными фазами Al₃(Sc,Zr), которые способствуют гетерогенному зародышеобразованию, тогда как центр характеризуется сильно направленным градиентом температуры, который способствует эпитаксиальному росту кристаллов в направлении максимального рассеивания тепла. Примечательно, что Sc стоит дорого (около 3000 долларов США/кг), а Zr относительно недорог (около 30 долларов США/кг); совместное добавление этих элементов создает структуру Al₃Sc-ядро/Al₃Zr-оболочки, которая не только значительно повышает термическую стабильность упрочняющих фаз, но и эффективно снижает стоимость сплава. Тем временем команда из Шанхайского университета Цзяо Тонг предложила инновационную стратегию проектирования, основанную на деформируемом-трансформируемом эвтектическом нанокаркасе. Они выбрали почти -эвтектическую систему Al-Er (12,7 мас.% Er) в качестве модельного сплава, используя образование L1₂-структурированной фазы Al₃Er-, которая демонстрирует несовпадение кристаллической решетки всего на 3,96 % с -Al, наряду с обильными системами скольжения и высокой способностью к двойникованию. В процессе печати LPBF Al₃Er выделяется с объемной долей примерно 10,3% в виде непрерывного 3D-нано-каркаса; этот скелет не только выдерживает высокие напряжения, превышающие 1300 МПа, но также способствует пластической аккомодации во время деформации за счет образования двойников деформации и упорядоченных структур укладки с длинным периодом 9R, тем самым фундаментально опровергая общепринятое представление о том, что эвтектические скелеты по своей сути хрупкие. Сплав Al-Er-Mg с -печатью (RAE700) демонстрирует предел текучести 632 МПа, который увеличивается до 707 МПа после прямого старения при сохранении удлинения на уровне 7–10 %, что приводит к комплексному профилю производительности, который превосходит все ранее зарегистрированные алюминиевые сплавы, напечатанные на 3D-. Кроме того, исследовательская группа из Университета Нагои разработала серию сплавов Al-Fe-Mn-Ti на основе стратегии «контроля разделения элементов»; за счет добавления Cu и Mn для стабилизации фазы Al₆Fe и превращения ее в полезную упрочняющую фазу-при одновременном введении Ti, который переходит в твердую фазу для измельчения зерен примерно до 2,3 мкм-сплав достигает прочности на растяжение при комнатной-температуре 390 МПа и удлинения 14–17 %, при этом свойства остаются практически неизменными после 100 часов термического воздействия при 300°С. степень .
