01 Những thách thức của thời đại - Do mật độ thấp, cường độ riêng cao và khả năng chống ăn mòn tuyệt vời, hợp kim nhôm đã trở thành vật liệu kết cấu không thể thiếu trong lĩnh vực hàng không vũ trụ, ô tô và thiết bị năng lượng. Tuy nhiên, do nhu cầu của ngành công nghiệp hiện đại về hình học phức tạp và-hiệu suất cao, các bộ phận nhẹ tăng đột biến, các phương pháp đúc và gia công truyền thống gặp phải những hạn chế cơ bản trong việc sản xuất các bộ phận có các kênh bên trong phức tạp, cấu trúc dạng lưới và các tính năng-có thành mỏng. Các công nghệ sản xuất bồi đắp-cụ thể là Công nghệ kết hợp bột bằng laze (LPBF) và Lắng đọng năng lượng định hướng bằng laze (LDED)-đưa ra những lộ trình mang tính cách mạng để khắc phục những nút thắt sản xuất này. Công nghệ LPBF sử dụng chùm tia laze năng lượng cao-để làm tan chảy có chọn lọc-các lớp bột đã lắng đọng trước đó, tạo nên các thành phần phức tạp với mật độ vượt quá 99,5% từng lớp; với tốc độ làm mát thông thường đạt tới mức 10⁶ K/s, nó có thể tạo ra dung dịch rắn siêu bão hòa và các cấu trúc vi mô hạt siêu mịn{13}}khác xa khỏi trạng thái đông đặc cân bằng. Trong khi đó, công nghệ LDED, sử dụng phương pháp cấp bột đồng bộ và nấu chảy bằng laze, đã chứng tỏ những ưu điểm độc đáo trong việc sửa chữa các bộ phận bị hư hỏng và sản xuất{15}các thành phần cấu trúc quy mô lớn cũng như các vật liệu được phân loại theo thành phần. Tuy nhiên, hợp kim nhôm gặp phải một loạt thách thức nội tại về mặt vật lý{17}}luyện kim trong quá trình sản xuất bồi đắp bằng laser. Ở nhiệt độ phòng, hợp kim nhôm thể hiện độ phản xạ vượt quá 90% đối với tia laser hồng ngoại gần (bước sóng: 1070 nm), dẫn đến hiệu suất ghép năng lượng cực kỳ thấp và cần có tia laser mật độ{22}công suất cao để thiết lập một bể tan chảy ổn định. Bề mặt hợp kim nhôm dễ dàng tạo thành màng oxit dày đặc (Al₂O₃) với điểm nóng chảy 2072 độ -cao hơn đáng kể so với điểm nóng chảy 660 độ của nền nhôm; các mảnh của màng oxit này thường không tan chảy hoàn toàn trong bể tan chảy, thường đóng vai trò là nơi khởi đầu cho các vết nứt và thiếu{28}}các khuyết tật nhiệt hạch. Điều quan trọng hơn nữa là độ hòa tan của hydro trong nhôm lỏng (khoảng. 0.7 cm³/100g) cao hơn nhiều so với nhôm rắn (khoảng. 0.04 cm³/100g); trong quá trình hóa rắn nhanh, các nguyên tử hydro siêu bão hòa không thể khuếch tán kịp thời và thay vào đó tích tụ ở bề mặt chất lỏng-rắn để tạo thành các hạt nhân bong bóng, cuối cùng để lại các lỗ luyện kim có đường kính từ vài đến vài chục micromet trong cấu trúc vi mô đã đông đặc. Trong khi đó, phạm vi nhiệt độ đông đặc rộng (ví dụ, vượt quá 150 độ đối với Al7075) và độ co ngót đáng kể khi đông đặc (khoảng 6%) của hợp kim nhôm khiến chúng rất dễ bị xốp, co ngót khi đông đặc và nứt nóng khi các kênh cấp liệu đóng lại trong giai đoạn cuối của quá trình hóa rắn bể tan chảy; những vấn đề này thể hiện những thách thức cốt lõi trong quá trình xử lý LPBF của hợp kim nhôm dòng 2xxx và 7xxx có độ bền cao. Các đặc tính chu trình nhiệt cực cao vốn có của quá trình sản xuất bồi đắp bằng laser{46}}liên quan đến nhiệt độ bể tan chảy cục bộ vượt quá 2000 độ cùng với nhiệt độ bột và chất nền xung quanh nằm trong khoảng từ nhiệt độ phòng đến 200 độ, dẫn đến độ dốc nhiệt độ cao tới 10⁶ K/m-tạo ra các trường ứng suất nhiệt phức tạp bên trong thành phần; nếu không được kiểm soát, những ứng suất này có thể dẫn đến cong vênh, biến dạng hoặc thậm chí là nứt giữa các lớp.
02 Thiết kế thành phần - Ở cấp độ thiết kế thành phần, hệ thống hợp kim thường được sử dụng để đúc và rèn thường không phù hợp cho sản xuất bồi đắp. Lấy hợp kim AlSi10Mg làm ví dụ, thành phần gần như{4}}eutectic của nó mang lại tính lưu động tuyệt vời trong quá trình đúc; tuy nhiên, trong điều kiện hóa rắn nhanh của LPBF, mạng pha silicon eutectic thô hoạt động như một nguồn tập trung ứng suất. Hơn nữa, độ bền kéo của hợp kim ở 300 độ giảm mạnh xuống khoảng 10%-độ bền nhiệt độ-trong phòng của nó, một hiện tượng được cho là do cấu trúc vi mô eutectic bị thô hóa và phân hủy nhanh chóng ở nhiệt độ cao. Do đó, việc phát triển các hệ thống thành phần hợp kim nhôm chuyên dụng phù hợp với đặc điểm của sản xuất bồi đắp đã trở thành trọng tâm nghiên cứu trong lĩnh vực này.
Nghiên cứu của Viện Công nghệ Xanh và Thông minh Trùng Khánh, Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc, tiết lộ rằng việc thêm một lượng vết Sc (0,2–0,4 trọng lượng) và Zr (0,1–0,3 trọng lượng%) vào hợp kim Al-Mg cho phép hình thành *tại chỗ* các pha Al₃(Sc,Zr) sơ cấp có kích thước nano với cấu trúc có trật tự L1₂ trong quá trình hóa rắn nhanh chóng của Phản ứng tổng hợp bột bột bằng laser (LPBF). Các pha này thể hiện sự không khớp mạng cực kỳ thấp (khoảng 1,3%) với ma trận -Al và đóng vai trò là vị trí tạo mầm không đồng nhất hiệu quả cao, tinh chỉnh kích thước hạt từ hàng chục micromet xuống thang đo-micromet. Nghiên cứu chỉ ra rằng hợp kim Al{12}}Mg-Mn-Sc-Zr được chế tạo có cấu trúc hạt lưỡng kim đặc trưng: một vùng gồm các hạt cân bằng mịn (kích thước trung bình ~1,04 μm) ở các cạnh bể tan chảy và một vùng gồm các hạt hình cột (kích thước trung bình ~2,11 μm) phát triển dọc theo hướng xây dựng ở tâm bể tan chảy. Cấu trúc hạt không đồng nhất này phát sinh từ sự thay đổi không gian về độ dốc nhiệt độ và mật độ tạo mầm trong bể tan chảy; các cạnh có độ dốc nhiệt độ cao và sự phong phú của các pha Al₃ (Sc, Zr) chính, thúc đẩy quá trình tạo mầm không đồng nhất, trong khi phần trung tâm được đặc trưng bởi độ dốc nhiệt độ có hướng mạnh tạo điều kiện cho sự phát triển tinh thể epiticular dọc theo hướng tản nhiệt tối đa. Đáng chú ý, trong khi Sc đắt (khoảng $3.000/kg), thì Zr lại tương đối rẻ (khoảng $30/kg); việc bổ sung kết hợp các phần tử này tạo ra cấu trúc lõi Al₃Sc{25}}/Al₃Zr-không chỉ tăng cường đáng kể độ ổn định nhiệt của các pha tăng cường mà còn giảm chi phí hợp kim một cách hiệu quả. Trong khi đó, một nhóm từ Đại học Giao thông Thượng Hải đã đề xuất một chiến lược thiết kế sáng tạo dựa trên giàn giáo nano eutectic có thể biến đổi-có thể biến dạng. Họ đã chọn hệ thống-eutectic Al-Er gần như (12,7 wt% Er) làm hợp kim mô hình, sử dụng sự hình thành pha Al₃Er có cấu trúc L1₂-có cấu trúc-có cấu trúc không khớp mạng chỉ 3,96% với -Al, cùng với nhiều hệ thống trượt và khả năng kết đôi cao. Trong quá trình in LPBF, Al₃Er kết tủa với tỷ lệ thể tích khoảng 10,3% dưới dạng khung-nano 3D liên tục; bộ xương này không chỉ chịu được ứng suất cao vượt quá 1300 MPa mà còn tạo điều kiện cho chỗ ở dẻo trong quá trình biến dạng thông qua việc hình thành các cặp song sinh biến dạng và các cấu trúc có trật tự xếp chồng với chu kỳ dài 9R{44}}, do đó đảo ngược về cơ bản quan điểm thông thường cho rằng các bộ xương cùng tinh vốn đã giòn. Hợp kim Al-được in như Al-Er-Mg (RAE700) thể hiện cường độ chảy là 632 MPa, tăng lên 707 MPa sau khi lão hóa trực tiếp trong khi vẫn duy trì độ giãn dài 7–10%, dẫn đến hồ sơ hiệu suất toàn diện vượt qua tất cả các hợp kim nhôm in 3D{55}}được báo cáo trước đây. Ngoài ra, một nhóm nghiên cứu tại Đại học Nagoya đã phát triển dòng hợp kim Al-Fe-Mn-Ti dựa trên chiến lược "kiểm soát phân chia phần tử"; bằng cách thêm Cu và Mn để ổn định pha Al₆Fe và biến nó thành pha tăng cường có lợi-đồng thời đưa Ti phân chia vào pha rắn để tinh chế các hạt có kích thước khoảng 2,3 μm-hợp kim đạt được độ bền kéo ở nhiệt độ phòng-là 390 MPa và độ giãn dài 14–17%, với các đặc tính hầu như không thay đổi sau 100 giờ tiếp xúc với nhiệt ở 300 độ .
