01 Reptes contemporanis: a causa de la seva baixa densitat, alta resistència específica i excel·lent resistència a la corrosió, els aliatges d'alumini s'han convertit en materials estructurals indispensables en els sectors aeroespacial, automoció i equips energètics. Tanmateix, amb l'augment de la demanda a la indústria moderna de geometries complexes i components lleugers d'alt-rendiment, els mètodes tradicionals de fosa i mecanitzat s'enfronten a limitacions fonamentals a l'hora de fabricar peces amb canals interns complexos, estructures de gelosia i característiques de paret-fines. Les tecnologies de fabricació additiva-específicament Laser Powder Bed Fusion (LPBF) i Laser Directed Energy Deposition (LDED)-ofereixen vies revolucionàries per superar aquests colls d'ampolla de fabricació. La tecnologia LPBF construeix components complexos amb densitats superiors al 99,5% fonent selectivament capes de pols pre-dipositades mitjançant un raig làser d'alta-energia, construint l'estructura capa per capa. Amb velocitats de refredament típiques de l'ordre de 10⁶ K/s, aquest procés permet la formació de solucions sòlides sobresaturades i microestructures de gra-ultrafins que es troben molt més enllà de l'estat de solidificació d'equilibri. Per contra, la tecnologia LDED-que utilitza l'alimentació simultània de pols juntament amb la fusió per làser-demostra avantatges únics en la reparació de peces danyades, la fabricació de components estructurals a gran-escala i la producció de materials classificats funcionalment. No obstant això, els aliatges d'alumini es troben amb una sèrie de reptes físics-metal·lúrgics inherents durant el procés de fabricació d'additius làser. Els aliatges d'alumini presenten una reflectivitat de més del 90% cap als làsers d'infraroig proper (amb una longitud d'ona de 1070 nm) a temperatura ambient; això resulta en una eficiència d'acoblament energètica extremadament baixa, que requereix l'ús de làsers d'alta-potència-densitat per establir una piscina de fusió estable. A més, una pel·lícula d'òxid densa (Al₂O₃) es forma fàcilment a la superfície dels aliatges d'alumini. Amb un punt de fusió de 2072 graus -significativament més alt que el de la matriu d'alumini (660 graus)-, els fragments d'aquesta pel·lícula d'òxid sovint no es fonen completament dins de la piscina de fusió, i sovint serveixen com a llocs de nucleació per a esquerdes i fonts de{32}} manca{32}}de{32}}de fusió. El més crític és que la solubilitat de l'hidrogen en l'alumini líquid (aproximadament 0,7 cm³/100 g) és molt superior a la de l'alumini sòlid (aproximadament 0,04 cm³/100 g). Durant el procés de solidificació ràpida, els àtoms d'hidrogen sobresaturats no tenen temps suficient per difondre's; en canvi, s'acumulen al front de la interfície sòlida-líquida per formar nuclis de bombolles de gas, deixant enrere porus metal·lúrgics que van des d'unes poques micres fins a desenes de micres de diàmetre dins de la microestructura solidificada. Mentrestant, l'ampli rang de temperatura de solidificació dels aliatges d'alumini (per exemple, superior als 150 graus per a Al7075) i la seva important contracció de solidificació (aproximadament un 6%) els fan molt susceptibles a la porositat de solidificació i a l'esquerdament calent una vegada que es tanquen els canals d'alimentació a la cua de la piscina de fosa. Aquest és el repte principal que s'enfronta als aliatges d'alumini de les sèries 2xxx i 7xxx d'alta-resistencia durant el procés LPBF. A més, la característica del cicle tèrmic extrem de la fabricació d'additius làser-en què les temperatures localitzades de la piscina fosa superen els 2.000 graus, mentre que la pols i el substrat circumdants es mantenen entre la temperatura ambient i els 200 graus, donant lloc a gradients de temperatura fins a 10⁶ K/m-genera un camp d'estrès complex dins dels components tèrmics fabricats; si no es controla, això pot provocar deformacions, deformacions i fins i tot esquerdes entre capes-.
02 Disseny de composició: a nivell de disseny de composició, els sistemes d'aliatge d'alumini utilitzats tradicionalment en fosa i forja sovint no són adequats per a la fabricació additiva. Prenent com a exemple l'aliatge AlSi10Mg: mentre que la seva composició gairebé-eutèctica el dota d'una excel·lent fluïdesa durant la colada, sota les condicions de ràpida solidificació de LPBF, la xarxa gruixuda de fases de silici eutèctic es converteix paradoxalment en una font de concentració d'estrès. A més, la resistència a la tracció de l'aliatge a 300 graus cau fins a aproximadament un 10% de la seva resistència a la temperatura -ambiental-, un fenomen atribuït al ràpid engrossiment i dissolució de la microestructura eutèctica a temperatures elevades. En conseqüència, el desenvolupament de sistemes d'aliatge d'alumini especialitzats adaptats a les característiques úniques de la fabricació additiva s'ha convertit en un punt d'investigació clau en aquest camp.
La investigació realitzada per l'Institut de Tecnologia Verda i Intel·ligent de Chongqing, de l'Acadèmia Xinesa de Ciències, revela que, afegint traces de Sc (0,2-0,4% en pes) i Zr (0,1-0,3% en pes) a aliatges basats en Al-Mg{-, a escala nanomètrica Al₃(Sc,Zr) posseeix L₃{6}en fase primària. L'estructura-es pot formar *in situ* durant el procés de solidificació ràpida de Laser Powder Bed Fusion (LPBF). Aquesta fase presenta un desajust de gelosia extremadament baix (aproximadament un 1,3%) amb la matriu -Al, servint així com un lloc de nucleació heterogeni altament eficient que refina la mida del gra des de desenes de micròmetres fins a un nivell sub-micromètric. L'estudi assenyala a més que l'aliatge d'Al{-Mg-Mn{-Sc-Zr fabricat amb SLM-fabricat presenta una estructura de gra bimodal característica: les vores de la piscina de fusió presenten una zona de gra fi equiaxial amb una mida mitjana d'aproximadament 1,04 μm de gra columnar, mentre que el centre de gra columnar consisteix en un gra de fusió. zona-creixent al llarg de la direcció de construcció-amb una mida mitjana de gra d'aproximadament 2,11 μm. Aquesta estructura heterogènia de gra prové de les variacions espacials en els gradients de temperatura i les densitats de nucleació dins de la piscina de fusió; específicament, les vores de la piscina de fusió es caracteritzen per gradients de temperatura pronunciats i un enriquiment de les fases primàries d'Al₃ (Sc, Zr), que afavoreix la nucleació heterogènia, mentre que el centre de la piscina de fusió presenta un gradient de temperatura altament direccional que facilita el creixement epitaxial dels cristalls en la direcció de la màxima dissipació de calor. Notablement, mentre que Sc és un element costós (a un preu aproximat de 3.000 $/kg), Zr és relativament econòmic (aproximadament 30 $/kg); l'addició combinada d'aquests dos elements crea una-estructura de closca-que consta d'un nucli d'Al₃Sc i una carcassa d'Al₃Zr-que no només millora significativament l'estabilitat tèrmica de les fases d'enfortiment, sinó que també redueix eficaçment el cost global de l'aliatge. Mentrestant, un equip de la Universitat Jiao Tong de Xangai ha proposat una estratègia de disseny innovadora alternativa centrada en una "nanobastida eutèctica deformable-transformable". Seleccionant el sistema proper-eutèctic Al-Er (12,7% en pes Er) com a aliatge model, l'equip va aprofitar la capacitat d'Er per formar una fase Al₃Er amb una estructura L1₂ juntament amb Al; aquesta fase presenta un desajust de gelosia de només un 3,96% en relació amb la matriu -Al i es caracteritza per una gran quantitat de sistemes de lliscament i una gran capacitat d'agermanament. Durant el procés d'impressió LPBF, l'Al₃Er precipita en forma d'esquelet a escala nanomètrica tridimensional contínua, que constitueix aproximadament un 10,3 % en vol. Aquest esquelet no només és capaç de suportar tensions elevades que superen els 1300 MPa, sinó que també facilita l'acomodació plàstica durant la deformació mitjançant la formació de bessons de deformació i estructures ordenades-apilament de períodes llargs de 9R-període llarg-, per la qual cosa anul·la fonamentalment la noció tradicional que els esquelets eutèctics estan trencats. L'aliatge Al{{-Er{-Mg{-imprimit (RAE700) presenta un límit elàstic de 632 MPa, que augmenta encara més fins a 707 MPa després del tractament d'envelliment directe, alhora que manté un allargament del 7-10%; aquestes propietats completes superen les de tots els aliatges d'alumini-impresos en 3D que s'han informat anteriorment. A més, un equip d'investigació de la Universitat de Nagoya ha desenvolupat una sèrie d'aliatges d'Al-Fe{-Mn{-Ti basats en una estratègia de "control de particions elementals". Afegint Cu i Mn, van estabilitzar amb èxit la fase Al₆Fe-transformant-la en una fase d'enfortiment beneficiosa-a la vegada que introduïen Ti, que es divideix a la fase sòlida per induir el refinament del gra (a aproximadament 2,3 μm). En conseqüència, l'aliatge aconsegueix una resistència a la tracció a temperatura ambient{69}}de 390 MPa i una ductilitat del 14-17%; significativament, les seves propietats mecàniques es mantenen pràcticament sense canvis fins i tot després d'una exposició tèrmica a 300 graus durant 100 hores.
03 Control de processos: la relació quantitativa entre els paràmetres del procés i la dinàmica de la piscina fosa és clau per dilucidar els mecanismes que regeixen la formació de microestructura en la fabricació additiva làser d'aliatges d'alumini. Els comportaments dinàmics de fluids dins de la piscina de fusió estan impulsats col·lectivament per la convecció de Marangoni, la pressió de retrocés, la flotabilitat i les forces termocapil·lars. Entre aquestes, les forces de cisalla de Marangoni-que sorgeixen dels gradients de tensió superficial induïts pels gradients de temperatura a través de la superfície de la piscina fosa-constitueixen la força dominant que impulsa el flux de metall fos des del centre de la piscina cap a la seva perifèria. Per contra, la pressió de retrocés-generada per l'ejecció vigorosa de vapor de metall dins del forat de la pany-exerceix una força de compressió que empeny el metall fos cap a la part inferior i les parets laterals del forat. Els estudis indiquen que la densitat d'energia volumètrica (VED) serveix com a mètrica crítica per determinar les transicions del mode de la piscina fosa: quan la VED supera aproximadament 60 J/mm³, la pressió de retrocés evaporativa esdevé suficient per generar un forat dins de la piscina de fosa amb una relació d'aspecte superior a 1, iniciant així el "mode de forat"; per contra, el procés funciona en el "mode de conducció". Tot i que el mode de forat facilita l'assoliment d'una densitat de material alta, l'oscil·lació inestable del forat de la clau-específicament, el col·lapse periòdic de la seva paret frontal-constitueix el mecanisme principal per a la formació de la porositat del forat (porus normalment de 50 a 200 μm de diàmetre). Aquests porus es caracteritzen per la seva gran mida i la seva morfologia irregular, la qual cosa infligeix un detriment significativament més gran al rendiment a la fatiga que els porus metal·lúrgics a -escala fina. La investigació realitzada a la Northwestern Polytechnical University ha demostrat que l'addició d'una quantitat de traça (0,15% en pes) d'un refinador de gra Al-Nb{-B a l'aliatge AlSi10Mg pot modular significativament la transició columnar-a-equiaxial (CET). Actuant com a llocs de nucleació heterogenis, les partícules resultants de NbB₂ i Al₃Nb eleven la fracció de volum dels grans equiaxials de menys del 20% a més del 80%; simultàniament, aquesta intervenció redueix la relació d'anisotropia plàstica (definida com la relació d'allargament longitudinal i transversal) de 3,5 a 1,2, aconseguint així un estat d'isotropia gairebé completa. Les característiques evolutives dels defectes de porositat presenten diferents variacions entre els diferents sistemes d'aliatge d'alumini: en els aliatges de la sèrie Al-Cu, l'ampli rang de solidificació dóna com a resultat una major resistència al flux dins de la zona blanda, fent que l'alimentació eficaç (flux de fusió compensatori) sigui més difícil; en conseqüència, la fracció de volum dels porus metal·lúrgics en aquests aliatges pot arribar a l'1-2%. En canvi, els aliatges de la sèrie Al-Si-a causa de l'estret rang de solidificació associat a la seva composició eutèctica-permeten que els nivells de porositat es controlin eficaçment per sota del 0,1%. La formació de la textura del cristall està estretament relacionada amb el comportament de solidificació de la capa-per-la capa; quan s'utilitza una estratègia d'exploració unidireccional de 0 graus, a<001>La textura es desenvolupa al llarg de la direcció de construcció, donant lloc a una diferència del 10 al 20% entre els límits de fluència en les direccions longitudinal (direcció de construcció) i transversal. Per contra, l'adopció d'una estratègia d'escaneig de rotació de 67 graus pot reduir la intensitat de la textura a un nivell d'orientació aleatòria, eliminant essencialment l'anisotropia en les propietats mecàniques. Pel que fa al rendiment del servei a -alta temperatura, els aliatges d'alumini fabricats additivament presenten un potencial únic per reforçar-se juntament amb els reptes específics relacionats amb la degradació de les propietats. Un article de revisió de la Central South University classifica els mecanismes d'enfortiment d'alta-temperatura dels aliatges d'alumini fabricats additivament resistents a la calor-en tres vies principals. En primer lloc, l'efecte sinèrgic de múltiples-components construeix una arquitectura de múltiples-capes i tèrmicament estable incorporant elements amb velocitats de difusió variables. Per exemple, en els aliatges Al-Ce{-Sc{-Zr, la fase eutèctica Al₁₁Ce₃ densa i uniforme, combinada amb L1₂-Al₃(Sc,Zr) intragranular precipita, crea un efecte d'enfortiment dual; això permet que l'aliatge mantingui una resistència a la tracció de 233 MPa a 300 graus i 142 MPa a 400 graus, sense que s'observi cap engrossiment significatiu del gra fins i tot després d'una exposició tèrmica prolongada a 400 graus durant 96 hores. En segon lloc, l'enfortiment intermetàl·lic es basa en la selecció de compostos intermetàl·lics amb baixos coeficients de difusió i alts punts de fusió per formar una estructura esquelètica rígida a temperatures elevades. La constant de velocitat d'engreixament de la fase Al₁₁Ce₃ a 400 graus és només 1,6 nm³/s-significativament inferior a la de la fase Al₂Cu en els aliatges tradicionals d'Al{-Cu a la mateixa temperatura (aproximadament 100 nm³/s); aquesta estabilitat superior-a alta temperatura permet que la primera actuï contínuament com una barrera efectiva al moviment de dislocació. En tercer lloc, la regulació a escala-atòmica inhibeix l'engreixament introduint elements segregadors a les interfícies entre les fases d'enfortiment i la matriu. Els estudis han demostrat que elements com Sc, Zr, Si i Mn-que es segreguen a la interfície θ′{-Al₂Cu/ -Al{-poden reduir l'energia interfacial i impedir la difusió atòmica, ampliant així el rang de temperatura de servei de 2xxx-límit d'aliatges{41}}2 de graus tradicionals de 205{41}}2. grau i 300 graus. Un estudi publicat a *Nature Communications*-dirigit per l'acadèmic Lu Jian de la City University of Hong Kong en col·laboració amb diverses institucions-ha fet un pas endavant important utilitzant elements comuns d'impureses que es troben en aliatges d'alumini (Si, Fe, Mn i Ni) per desenvolupar un resistent a la calor- Aliatge d'Al{-7,44Si{-2,34Fe{-1,79Mn{-1,12Ni que no conté metalls preciosos ni elements de terres rares. En condicions de solidificació ràpida, aquest aliatge sofreix una segregació no -equilibri, incorporant nanoprecipitats intermetàl·lics multi-resistents a la calor{-que ocupen una fracció de volum de fins a un 14%-en els límits de la cèl·lula de solidificació, formant així una microestructura cel·lular tèrmicament estable. Sense requerir cap processament posterior, l'aliatge presenta una resistència a la tracció a temperatura ambient-de 582 MPa, amb forces de 263 MPa i 114 MPa a 300 graus i 400 graus, respectivament. A més, l'estudi revela-per primera vegada en els aliatges d'alumini-un mecanisme d'enduriment impulsat per-amorfització d'estat sòlid: durant la deformació a-alta temperatura, una part dels nanoprecipitats intermetàl·lics pateixen una transformació amorfa en estat sòlid (en última instància, formant una nanopartícula "ordenada" +1₂). Estructura nanobifàsica ′-(Ni,Fe)₃Al phase) que proporciona una via addicional de dissipació d'energia per a la propagació d'esquerdes a alta temperatura.
