01 Thách thức đương 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, với nhu cầu ngày càng tăng trong ngành công nghiệp hiện đại về các hình dạng phức tạp và các bộ phận nhẹ có hiệu suất-cao, các phương pháp đúc và gia công truyền thống phải đối mặt với những hạn chế cơ bản khi sản xuất các bộ phận có kênh bên trong phức tạp, cấu trúc dạng lưới và các tính năng-thành mỏng. Các công nghệ sản xuất bồi đắp-cụ thể là Công nghệ kết hợp bột bằng laser (LPBF) và Lắng đọng năng lượng định hướng bằng laser (LDED)-đưa ra những lộ trình mang tính cách mạng để khắc phục những nút thắt sản xuất này. Công nghệ LPBF xây dựng các thành phần phức tạp với mật độ vượt quá 99,5% bằng cách nấu chảy có chọn lọc các lớp bột-đã lắng đọng trước đó bằng chùm tia laser{10}năng lượng cao, xây dựng cấu trúc theo từng lớp. Với tốc độ làm mát thông thường đạt đến mức 10⁶ K/s, quá trình này cho phép hình thành các dung dịch rắn siêu bão hòa và các cấu trúc vi mô hạt siêu mịn nằm xa hơn trạng thái đông đặc cân bằng. Ngược lại, công nghệ LDED-sử dụng việc nạp bột đồng thời cùng với quá trình nấu chảy bằng laze-thể hiện những ưu điểm độc đáo trong việc sửa chữa các bộ phận bị hư hỏng, chế tạo các bộ phận cấu trúc{17}}quy mô lớn và sản xuất vật liệu được phân loại theo chức năng. Tuy nhiên, hợp kim nhôm gặp phải một loạt thách thức vật lý{19}}luyện kim cố hữu trong quá trình sản xuất bồi đắp bằng laser. Hợp kim nhôm có độ phản xạ trên 90% đối với tia laser hồng ngoại gần (có bước sóng 1070 nm) ở nhiệt độ phòng; điều này dẫn đến hiệu suất ghép năng lượng cực kỳ thấp, đòi hỏi phải sử dụng tia laser có mật độ{24}công suất{25}}cao để thiết lập một bể tan chảy ổn định. Hơn nữa, một màng oxit dày đặc (Al₂O₃) dễ dàng hình thành trên bề mặt hợp kim nhôm. Với nhiệt độ nóng chảy 2072 độ -cao hơn đáng kể so với nhiệt độ nóng chảy của ma trận nhôm (660 độ )-các mảnh màng oxit này thường không tan chảy hoàn toàn trong bể tan chảy, thường đóng vai trò là nơi tạo mầm cho các vết nứt và nguồn thiếu-của-khiếm khuyết nhiệt hạch. Quan trọng nhất, độ hòa tan của hydro trong nhôm lỏng (khoảng 0,7 cm³/100g) cao hơn rất nhiều so với nhôm rắn (khoảng 0,04 cm³/100g). Trong quá trình đông đặc nhanh chóng, các nguyên tử hydro siêu bão hòa không có đủ thời gian để khuếch tán ra ngoài; thay vào đó, chúng tích tụ ở mặt trước giao diện chất lỏng{40}}rắn để tạo thành các hạt nhân bong bóng khí, cuối cùng để lại các lỗ luyện kim có đường kính từ vài micron đến hàng chục micron trong cấu trúc vi mô đã đông đặc. Trong khi đó, phạm vi nhiệt độ hóa rắn rộng của hợp kim nhôm (ví dụ, vượt quá 150 độ đối với Al7075) và độ co ngót đáng kể khi hóa rắn (khoảng 6%) khiến chúng rất dễ bị xốp hóa rắn và nứt nóng khi các kênh cấp liệu ở đuôi bể tan chảy đóng lại. Điều này tạo thành thách thức cốt lõi mà các hợp kim nhôm dòng 2xxx và 7xxx có độ bền{48}}cao phải đối mặt trong quá trình LPBF. Hơn nữa, đặc tính chu trình nhiệt cực cao của quá trình sản xuất bồi đắp bằng laze-trong đó nhiệt độ bể nóng chảy cục bộ vượt quá 2000 độ trong khi bột và chất nền xung quanh vẫn duy trì ở nhiệt độ trong khoảng nhiệt độ phòng và 200 độ, dẫn đến độ dốc nhiệt độ cao tới 10⁶ K/m-tạo ra trường ứng suất nhiệt phức tạp trong các bộ phận được chế tạo; nếu không được kiểm soát, điều này có thể dẫn đến cong vênh, biến dạng và thậm chí là nứt giữa các lớp.
02 Thiết kế thành phần: Ở cấp độ thiết kế thành phần, các hệ thống hợp kim nhôm truyền thống được sử dụng trong đúc và rèn thường không phù hợp cho sản xuất bồi đắp. Lấy hợp kim AlSi10Mg làm ví dụ: trong khi thành phần gần{3}}eutectic của nó mang lại cho nó tính lưu động tuyệt vời trong quá trình đúc, trong điều kiện hóa rắn nhanh của LPBF, mạng lưới thô của các pha silicon cùng tinh nghịch lý lại trở thành 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, sự phát triển của các hệ thống hợp kim nhôm chuyên dụng phù hợp với đặc điểm độc đáo của sản xuất bồi đắp đã nổi lên như một điểm nóng nghiên cứu quan trọng trong lĩnh vực này.
Nghiên cứu được thực hiện bởi Viện Công nghệ Xanh và Thông minh Trùng Khánh, Viện Khoa học Trung Quốc, cho thấy rằng bằng cách thêm một lượng nhỏ Sc (0,2–0,4 wt%) và Zr (0,1–0,3 wt%) vào các hợp kim dựa trên Al-Mg-, các pha sơ cấp Al₃(Sc,Zr) có kích thước nano-có cấu trúc L1₂ có trật tự-có thể được hình thành *tại chỗ* trong quá trình quá trình hóa rắn nhanh chóng của Laser Powder Bed Fusion (LPBF). Pha này thể hiện sự không khớp mạng cực kỳ thấp (khoảng 1,3%) với ma trận -Al, do đó đóng vai trò là vị trí tạo mầm không đồng nhất hiệu quả cao giúp tinh chỉnh kích thước hạt từ hàng chục micromet xuống mức dưới{12} micromet. Nghiên cứu này lưu ý thêm rằng hợp kim Zr-được chế tạo bằng SLM-Al{15}}Mg-Mn-Sc-Zr có cấu trúc hạt lưỡng kim đặc trưng: các cạnh của bể tan chảy có vùng hạt mịn có kích thước hạt trung bình khoảng 1,04 μm, trong khi tâm của bể tan chảy bao gồm một vùng hạt hình cột{20}}phát triển dọc theo công trình hướng-với kích thước hạt trung bình khoảng 2,11 μm. Cấu trúc hạt không đồng nhất này bắt nguồn từ sự thay đổi không gian về độ dốc nhiệt độ và mật độ tạo mầm trong bể tan chảy; cụ thể là, các cạnh của bể tan chảy được đặc trưng bởi độ dốc nhiệt độ dốc và sự phong phú của các pha chính Al₃ (Sc, Zr), thúc đẩy quá trình tạo mầm không đồng nhất, trong khi trung tâm bể tan chảy thể hiện độ dốc nhiệt độ có tính định hướng cao tạo điều kiện cho sự phát triển epiticular của các tinh thể dọc theo hướng tản nhiệt tối đa. Đáng chú ý, trong khi Sc là nguyên tố đắt tiền (có giá khoảng 3.000 USD/kg), thì Zr lại tương đối rẻ (khoảng 30 USD/kg); sự kết hợp của hai phần tử này tạo ra một cấu trúc lõi-vỏ{29}}bao gồm lõi Al₃Sc và vỏ Al₃Zr-không chỉ tăng cường đáng kể độ ổn định nhiệt của các giai đoạn tăng cường mà còn giảm chi phí tổng thể của 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 cải tiến thay thế tập trung vào "giàn giáo nano eutectic có thể biến đổi-có thể biến dạng". Chọn hệ thống Al-Er gần{34}}eutectic (12,7 wt% Er) làm hợp kim mô hình, nhóm đã tận dụng khả năng của Er để tạo thành pha Al₃Er với cấu trúc L1₂ kết hợp với Al; pha này thể hiện sự không khớp mạng chỉ 3,96% so với ma trận -Al và được đặc trưng bởi sự phong phú của hệ thống trượt và khả năng kết đôi cao. Trong quá trình in LPBF, Al₃Er kết tủa ở dạng khung nano ba chiều liên tục,{41}}chiếm khoảng 10,3% thể tích. Bộ xương này không chỉ có khả năng chịu được ứng suất cao vượt quá 1300 MPa mà còn tạo điều kiện thích ứng 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-thời gian dài 9R-do đó về cơ bản đảo ngược quan niệm truyền thống rằng các bộ xương cùng tinh vốn dĩ rất giòn. Hợp kim Al-được in như Al-Er-Mg (RAE700) thể hiện cường độ chảy là 632 MPa, tăng thêm lên 707 MPa sau khi xử lý lão hóa trực tiếp, đồng thời duy trì độ giãn dài 7–10%; những đặc tính toàn diện này vượt trội hơn đặc tính của tất cả các hợp kim nhôm in 3D{59}}đã được báo cáo trước đây. Hơn nữa, một nhóm nghiên cứu tại Đại học Nagoya đã phát triển một loạt hợp kim Al-Fe-Mn-Ti dựa trên chiến lược "kiểm soát phân chia nguyên tố". Bằng cách thêm Cu và Mn, họ đã ổn định thành công pha Al₆Fe-biến nó thành pha tăng cường có lợi-đồng thời đưa Ti vào, phân chia thành pha rắn để tạo ra sự sàng lọc hạt (đến khoảng 2,3 μm). Do đó, hợp kim đạt được độ bền kéo ở nhiệt độ phòng là 390 MPa và độ dẻo là 14–17%; đáng kể, tính chất cơ học của nó hầu như không thay đổi ngay cả sau khi tiếp xúc với nhiệt ở 300 độ trong 100 giờ.
03 Kiểm soát quy trình: Mối quan hệ định lượng giữa các thông số quy trình và động lực học của bể tan chảy là chìa khóa để làm sáng tỏ các cơ chế chi phối sự hình thành cấu trúc vi mô trong quá trình sản xuất phụ gia bằng laser đối với hợp kim nhôm. Các hành vi động lực học của chất lỏng trong bể tan chảy được điều khiển chung bởi sự đối lưu Marangoni, áp suất giật lại, lực nổi và lực mao dẫn nhiệt. Trong số này, lực cắt Marangoni-phát sinh từ gradient sức căng bề mặt gây ra bởi gradient nhiệt độ trên bề mặt bể tan chảy-tạo thành lực chủ đạo thúc đẩy dòng kim loại nóng chảy từ trung tâm bể đến ngoại vi của nó. Ngược lại, áp suất giật lùi-được tạo ra do hơi kim loại phun ra mạnh bên trong lỗ khóa-tạo ra một lực nén đẩy kim loại nóng chảy về phía đáy và các thành bên của lỗ khóa. Các nghiên cứu chỉ ra rằng mật độ năng lượng thể tích (VED) đóng vai trò là thước đo quan trọng để xác định sự chuyển đổi chế độ bể tan chảy: khi VED vượt quá khoảng 60 J/mm³, áp suất giật lùi bay hơi trở nên đủ để tạo ra lỗ khóa trong bể tan chảy với tỷ lệ khung hình lớn hơn 1, do đó bắt đầu "chế độ lỗ khóa"; ngược lại, quá trình hoạt động ở “chế độ dẫn truyền”. Mặc dù chế độ lỗ khóa tạo điều kiện thuận lợi cho việc đạt được mật độ vật chất cao, nhưng sự dao động không ổn định của lỗ khóa-cụ thể là sự sụp đổ định kỳ của bức tường phía trước của nó-tạo thành cơ chế chính cho sự hình thành độ xốp của lỗ khóa (các lỗ thường có đường kính 50–200 μm). Những lỗ chân lông này có đặc điểm là kích thước lớn và hình thái không đều, gây ra tác hại lớn hơn đáng kể đến hiệu suất mỏi so với các lỗ chân lông luyện kim quy mô nhỏ. Nghiên cứu được thực hiện tại Đại học Bách khoa Tây Bắc đã chứng minh rằng việc bổ sung một lượng vết (0,15% khối lượng) của máy tinh chế hạt Al-Nb-B vào hợp kim AlSi10Mg có thể điều chỉnh đáng kể quá trình chuyển đổi cột-sang{24}}đồng trục (CET). Hoạt động như các vị trí tạo mầm không đồng nhất, các hạt NbB₂ và Al₃Nb thu được sẽ nâng tỷ lệ thể tích của các hạt đẳng trục từ dưới 20% lên trên 80%; đồng thời, sự can thiệp này làm giảm tỷ lệ dị hướng dẻo (được định nghĩa là tỷ lệ độ giãn dài theo chiều dọc và chiều ngang) từ 3,5 xuống 1,2, nhờ đó đạt được trạng thái đẳng hướng gần như hoàn toàn. Các đặc điểm tiến hóa của khuyết tật độ xốp thể hiện sự khác biệt rõ rệt giữa các hệ thống hợp kim nhôm khác nhau: trong hợp kim dòng Al{31}}Cu, phạm vi hóa rắn rộng dẫn đến tăng khả năng cản dòng chảy trong vùng nhão, khiến việc cấp liệu hiệu quả (dòng tan chảy bù) trở nên khó khăn hơn; do đó, phần thể tích của các lỗ luyện kim trong các hợp kim này có thể đạt tới 1–2%. Ngược lại, Al-hợp kim dòng Si-nhờ phạm vi hóa rắn hẹp liên quan đến thành phần eutectic của chúng-cho phép kiểm soát hiệu quả mức độ xốp xuống dưới 0,1%. Sự hình thành kết cấu tinh thể có liên quan chặt chẽ với hành vi đông đặc từng lớp; khi chiến lược quét một chiều 0 độ được sử dụng,<001>kết cấu phát triển dọc theo hướng xây dựng, dẫn đến sự khác biệt 10–20% giữa cường độ chảy theo hướng dọc (hướng xây dựng) và hướng ngang. Ngược lại, việc áp dụng chiến lược quét xoay 67 độ có thể giảm cường độ kết cấu xuống mức định hướng ngẫu nhiên, do đó về cơ bản loại bỏ tính dị hướng trong các tính chất cơ học. Về hiệu suất sử dụng ở nhiệt độ cao-, hợp kim nhôm được sản xuất bổ sung thể hiện tiềm năng tăng cường đặc biệt bên cạnh những thách thức cụ thể liên quan đến sự xuống cấp của đặc tính. Một bài viết đánh giá của Đại học Central South đã phân loại-cơ chế tăng cường nhiệt độ cao của hợp kim nhôm được sản xuất bổ sung chịu nhiệt-thành ba con đường cốt lõi. Đầu tiên, hiệu ứng tổng hợp nhiều thành phần tạo nên cấu trúc nhiều lớp, ổn định nhiệt bằng cách kết hợp các phần tử có tốc độ khuếch tán khác nhau. Ví dụ: trong hợp kim Al-Ce-Sc-Zr, pha eutectic Al₁₁Ce₃ đồng nhất và đậm đặc, kết hợp với L1₂-Al₃(Sc,Zr) nội hạt kết tủa, tạo ra hiệu ứng tăng cường-kép; điều này cho phép hợp kim duy trì độ bền kéo 233 MPa ở 300 độ và 142 MPa ở 400 độ, không quan sát thấy hiện tượng thô hạt đáng kể ngay cả khi tiếp xúc nhiệt kéo dài ở 400 độ trong 96 giờ. Thứ hai, việc tăng cường liên kim loại phụ thuộc vào việc lựa chọn các hợp chất liên kim loại có hệ số khuếch tán thấp và điểm nóng chảy cao để tạo thành cấu trúc xương cứng ở nhiệt độ cao. Hằng số tốc độ thô của pha Al₁₁Ce₃ ở 400 độ chỉ là 1,6 nm³/s{29}}thấp hơn đáng kể so với hằng số tốc độ thô của pha Al₂Cu trong hợp kim Al-Cu truyền thống ở cùng nhiệt độ (khoảng 100 nm³/s); độ ổn định nhiệt độ-cao vượt trội này cho phép chất trước liên tục hoạt động như một rào cản hiệu quả đối với chuyển động trật khớp. Thứ ba, quy định tỷ lệ nguyên tử ngăn chặn sự thô hóa bằng cách đưa ra các phần tử tách biệt tại các bề mặt tiếp xúc giữa các pha tăng cường và ma trận. Các nghiên cứu đã chứng minh rằng các nguyên tố như Sc, Zr, Si và Mn-phân tách ở giao diện θ′-Al₂Cu/ -Al-có thể làm giảm năng lượng bề mặt và cản trở sự khuếch tán nguyên tử, do đó mở rộng phạm vi nhiệt độ sử dụng của hợp kim dòng 2xxx-từ giới hạn truyền thống là 200 độ đến từ 250 độ đến 300 độ . Một nghiên cứu được công bố trên *Nature Communications*-do Viện sĩ Lu Jian của Đại học Thành phố Hồng Kông dẫn đầu phối hợp với nhiều tổ chức-đã tiến một bước đáng kể bằng cách sử dụng các nguyên tố tạp chất phổ biến có trong hợp kim nhôm (Si, Fe, Mn và Ni) để phát triển khả năng chịu nhiệt- Hợp kim Al-7.44Si-2.34Fe-1.79Mn-1.12Ni không chứa kim loại quý hay nguyên tố đất hiếm. Trong điều kiện hóa rắn nhanh, hợp kim này trải qua quá trình-phân tách không cân bằng, nhúng các kết tủa nano liên kim loại đa{62}}kháng nhiệt-chiếm tỷ lệ thể tích lên tới 14%-tại các ranh giới tế bào hóa rắn, từ đó hình thành cấu trúc tế bào vi mô ổn định nhiệt. Không yêu cầu bất kỳ quá trình xử lý sau nào, hợp kim có độ bền kéo ở nhiệt độ phòng là 582 MPa, với cường độ lần lượt là 263 MPa và 114 MPa ở 300 độ và 400 độ. Hơn nữa, nghiên cứu này cho thấy-lần đầu tiên trong hợp kim nhôm-một cơ chế làm cứng được thúc đẩy bởi quá trình biến đổi trạng thái-rắn: trong quá trình biến dạng nhiệt độ-cao, một phần kết tủa nano liên kim loại trải qua quá trình biến đổi vô định hình ở trạng thái rắn, cuối cùng tạo thành "vô định hình + hạt nano (pha ′-(Ni,Fe)₃Al)" nanobiphasic theo thứ tự L1₂ cấu trúc cung cấp một con đường tiêu tán năng lượng bổ sung để lan truyền vết nứt ở nhiệt độ cao.
