การวิจัยประเด็นสำคัญในการผลิตสารเติมแต่งด้วยเลเซอร์ของโลหะผสมอะลูมิเนียม

01 ความท้าทายแห่งยุค - เนื่องจากความหนาแน่นต่ำ ความแข็งแรงจำเพาะสูง และความต้านทานการกัดกร่อนที่ดีเยี่ยม อลูมิเนียมอัลลอยด์จึงกลายเป็นวัสดุโครงสร้างที่ขาดไม่ได้ในภาคการบินและอวกาศ ยานยนต์ และอุปกรณ์พลังงาน อย่างไรก็ตาม เนื่องจากความต้องการของอุตสาหกรรมสมัยใหม่ในด้านรูปทรงที่ซับซ้อนและ-ประสิทธิภาพสูง ส่วนประกอบที่มีน้ำหนักเบาจึงเพิ่มสูงขึ้น วิธีการหล่อและการตัดเฉือนแบบเดิมๆ ต้องเผชิญกับข้อจำกัดขั้นพื้นฐานในการผลิตชิ้นส่วนที่มีช่องภายในที่ซับซ้อน โครงสร้างขัดแตะ และคุณลักษณะที่มีผนังบาง- เทคโนโลยีการผลิตแบบเติมแต่ง-โดยเฉพาะ Laser Powder Bed Fusion (LPBF) และ Laser Directed Energy Deposition (LDED)- นำเสนอแนวทางการปฏิวัติเพื่อเอาชนะปัญหาคอขวดของการผลิตเหล่านี้ เทคโนโลยี LPBF ใช้ลำแสงเลเซอร์พลังงานสูง-ในการเลือกละลาย-ชั้นผงที่ฝากไว้ล่วงหน้า โดยสร้างส่วนประกอบที่ซับซ้อนซึ่งมีความหนาแน่นเกิน 99.5% ทีละชั้น ด้วยอัตราการทำความเย็นโดยทั่วไปถึงลำดับ 10⁶ K/s จึงสามารถผลิตสารละลายของแข็งที่มีความอิ่มตัวยวดยิ่งและโครงสร้างจุลภาคที่มีขนาดเล็กมาก-ซึ่งอยู่ห่างไกลจากสถานะการแข็งตัวที่สมดุล ในขณะเดียวกัน เทคโนโลยี LDED ซึ่งใช้การป้อนผงแบบซิงโครนัสและการหลอมด้วยเลเซอร์ แสดงให้เห็นถึงข้อได้เปรียบที่ไม่เหมือนใครในการซ่อมแซมชิ้นส่วนที่เสียหายและการผลิตส่วนประกอบโครงสร้างขนาดใหญ่-ตลอดจนวัสดุเกรดที่มีองค์ประกอบ อย่างไรก็ตาม อลูมิเนียมอัลลอยด์เผชิญกับความท้าทายทางกายภาพ-ทางโลหะวิทยาที่แท้จริงในระหว่างการผลิตสารเติมแต่งด้วยเลเซอร์ ที่อุณหภูมิห้อง อลูมิเนียมอัลลอยด์แสดงการสะท้อนแสงเกิน 90% สำหรับเลเซอร์อินฟราเรดใกล้- (ความยาวคลื่น: 1,070 นาโนเมตร) ส่งผลให้ประสิทธิภาพการเชื่อมต่อพลังงานต่ำมาก และต้องใช้เลเซอร์ความหนาแน่น-กำลัง-ความหนาแน่นสูงเพื่อสร้างแหล่งหลอมเหลวที่เสถียร พื้นผิวอลูมิเนียมอัลลอยด์จะก่อตัวเป็นฟิล์มออกไซด์หนาแน่น (Al₂O₃) ได้อย่างง่ายดาย โดยมีจุดหลอมเหลว 2072 องศา -สูงกว่าจุดหลอมเหลว 660 องศาของเมทริกซ์อะลูมิเนียมอย่างมาก ชิ้นส่วนของฟิล์มออกไซด์นี้มักจะละลายไม่หมดภายในบ่อหลอมเหลว ซึ่งมักทำหน้าที่เป็นจุดเริ่มต้นของรอยแตกร้าวและไม่มี-ข้อบกพร่อง{29}}ของการหลอมรวม ยิ่งไปกว่านั้น ความสามารถในการละลายของไฮโดรเจนในอะลูมิเนียมเหลว (ประมาณ. 0.7 ซม./100 ก.) ยังสูงกว่าอะลูมิเนียมที่เป็นของแข็งมาก (ประมาณ. 0.04 ซม./100 ก.) ในระหว่างการแข็งตัวอย่างรวดเร็ว อะตอมไฮโดรเจนที่อิ่มตัวยวดยิ่งไม่สามารถแพร่กระจายออกไปได้ทันเวลา และสะสมอยู่ที่ส่วนต่อประสานของของเหลว- แทนเพื่อสร้างนิวเคลียสฟองสบู่ ซึ่งท้ายที่สุดจะเหลือรูพรุนทางโลหะวิทยาซึ่งมีเส้นผ่านศูนย์กลางตั้งแต่ไม่กี่ถึงหลายสิบไมโครเมตรภายในโครงสร้างจุลภาคที่แข็งตัวแล้ว ในขณะเดียวกัน ช่วงอุณหภูมิการแข็งตัวที่กว้าง (เช่น เกิน 150 องศาสำหรับ Al7075) และการหดตัวของการแข็งตัวอย่างมีนัยสำคัญ (ประมาณ 6%) ของโลหะผสมอะลูมิเนียม ทำให้พวกมันมีความไวสูงต่อความพรุนของการหดตัวของการแข็งตัวและการแตกร้าวจากความร้อนเมื่อช่องป้อนอาหารปิดในระหว่างขั้นตอนสุดท้ายของการแข็งตัวของบ่อหลอม ปัญหาเหล่านี้แสดงถึงความท้าทายหลักในการประมวลผล LPBF ของอะลูมิเนียมอัลลอยด์ซีรีส์ 2xxx และ 7xxx ที่มีความแข็งแรงสูง- คุณลักษณะการหมุนเวียนด้วยความร้อนขั้นสูงสุดที่มีอยู่ในการผลิตสารเติมแต่งด้วยเลเซอร์-เกี่ยวข้องกับอุณหภูมิบ่อหลอมเหลวเฉพาะที่ที่สูงกว่า 2000 องศา ควบคู่ไปกับอุณหภูมิผงและสารตั้งต้นโดยรอบตั้งแต่อุณหภูมิห้องถึง 200 องศา ส่งผลให้อุณหภูมิไล่ระดับสูงถึง 10⁶ K/m- ทำให้เกิดสนามความเครียดจากความร้อนที่ซับซ้อนภายในส่วนประกอบ หากปล่อยทิ้งไว้โดยไม่มีการควบคุม ความเครียดเหล่านี้อาจนำไปสู่การบิดเบี้ยว การเสียรูป หรือแม้แต่การแตกร้าวระหว่างชั้นได้

02 การออกแบบองค์ประกอบ - ในระดับการออกแบบองค์ประกอบ ระบบโลหะผสมที่แต่ก่อนใช้ในการหล่อและการตีมักไม่เหมาะสำหรับการผลิตแบบเติมเนื้อ ยกตัวอย่างโลหะผสม AlSi10Mg องค์ประกอบยูเทคติกใกล้-ช่วยให้มีความลื่นไหลดีเยี่ยมในระหว่างการหล่อ อย่างไรก็ตามภายใต้สภาวะการแข็งตัวอย่างรวดเร็วของ LPBF โครงข่ายเฟสซิลิคอนยูเทคติกแบบหยาบทำหน้าที่เป็นแหล่งที่มาของความเข้มข้นของความเครียด นอกจากนี้ ความต้านทานแรงดึงของโลหะผสมที่ 300 องศาจะลดลงเหลือประมาณ 10% ของ-ความแข็งแรงของอุณหภูมิห้อง- ซึ่งเป็นปรากฏการณ์ที่เกิดจากการแข็งตัวอย่างรวดเร็วและการละลายของโครงสร้างจุลภาคยูเทคติกที่อุณหภูมิสูง ด้วยเหตุนี้ การพัฒนาระบบส่วนประกอบอะลูมิเนียมอัลลอยด์เฉพาะทางที่ปรับแต่งให้เหมาะกับคุณลักษณะของการผลิตแบบเติมเนื้อจึงกลายเป็นจุดมุ่งเน้นการวิจัยที่สำคัญในสาขานี้

การวิจัยโดยสถาบันเทคโนโลยีสีเขียวและอัจฉริยะฉงชิ่ง แห่ง Chinese Academy of Sciences เผยให้เห็นว่าการเพิ่มปริมาณเล็กน้อยของ Sc (0.2–0.4 wt%) และ Zr (0.1–0.3 wt%) ให้กับโลหะผสม Al-Mg ช่วยให้เกิด *ในแหล่งกำเนิด* ของเฟส Al₃ (Sc,Zr) หลักระดับนาโนด้วยโครงสร้างที่ได้รับคำสั่ง L1₂ ในระหว่างกระบวนการแข็งตัวอย่างรวดเร็วของ Laser Powder Bed Fusion (LPBF) ระยะเหล่านี้มีความไม่ตรงกันของโครงตาข่ายที่ต่ำมาก (ประมาณ 1.3%) กับ -เมทริกซ์อัล และทำหน้าที่เป็นจุดเกิดนิวเคลียสต่างกันที่มีประสิทธิภาพสูง ปรับแต่งขนาดเกรนตั้งแต่สิบไมโครเมตรไปจนถึงสเกลย่อย- การศึกษาระบุว่าโลหะผสม Al-Mg-Mn-Sc-Zr ที่-สร้างไว้นั้นแสดงโครงสร้างเกรนแบบสองโมดัลที่มีลักษณะเฉพาะ: บริเวณที่มีเม็ดละเอียดเท่ากัน (ขนาดเฉลี่ย ~1.04 μm) ที่ขอบสระน้ำละลาย และบริเวณของเมล็ดเรียงเป็นแนว (ขนาดเฉลี่ย ~2.11 μm) ที่เติบโตไปตามทิศทางการก่อตัวในใจกลางสระหลอม โครงสร้างเกรนที่ต่างกันนี้เกิดขึ้นจากการเปลี่ยนแปลงเชิงพื้นที่ของการไล่ระดับอุณหภูมิและความหนาแน่นของนิวเคลียสภายในสระหลอม ขอบมีการไล่ระดับอุณหภูมิสูงและการเสริมประสิทธิภาพของเฟส Al₃ (Sc, Zr) หลัก ซึ่งส่งเสริมการเกิดนิวเคลียสที่แตกต่างกัน ในขณะที่จุดศูนย์กลางมีลักษณะเฉพาะด้วยการไล่ระดับอุณหภูมิที่มีทิศทางอย่างมากซึ่งสนับสนุนการเติบโตของผลึก epitaxis ตามทิศทางของการกระจายความร้อนสูงสุด โดยเฉพาะอย่างยิ่ง แม้ว่า Sc จะมีราคาแพง (ประมาณ 3,000 เหรียญสหรัฐฯ/กก.) แต่ Zr ก็มีราคาไม่แพงนัก (ประมาณ 30 เหรียญสหรัฐฯ/กก.) การเพิ่มองค์ประกอบเหล่านี้ร่วมกันจะสร้างโครงสร้างเปลือก Al₃Sc-core/Al₃Zr- ที่ไม่เพียงแต่ช่วยเพิ่มเสถียรภาพทางความร้อนของเฟสการเสริมความแข็งแกร่งอย่างมีนัยสำคัญ แต่ยังช่วยลดต้นทุนโลหะผสมอีกด้วย ในขณะเดียวกัน ทีมงานจาก Shanghai Jiao Tong University ได้เสนอกลยุทธ์การออกแบบที่เป็นนวัตกรรมโดยใช้โครงนาโนยูเทคติกที่เปลี่ยนรูปได้- พวกเขาเลือกระบบอัล-Er ใกล้-ยูเทคติก (12.7 wt% Er) เป็นแบบจำลองโลหะผสม โดยใช้การก่อตัวของเฟส Al₃Er แบบมีโครงสร้าง L1₂-ซึ่งแสดงความไม่ตรงกันของโครงตาข่ายเพียง 3.96% กับ -Al พร้อมด้วยระบบสลิปจำนวนมากและความสามารถในการจับคู่สูง ในระหว่างขั้นตอนการพิมพ์ LPBF Al₃Er จะตกตะกอนด้วยเศษส่วนปริมาตรประมาณ 10.3% ในรูปของโครงกระดูกนาโน 3 มิติ-ที่ต่อเนื่องกัน โครงกระดูกนี้ไม่เพียงทนทานต่อความเครียดที่สูงกว่า 1300 MPa เท่านั้น แต่ยังช่วยให้พลาสติกพักตัวในระหว่างการเปลี่ยนรูปผ่านการก่อตัวของฝาแฝดที่เสียรูปและโครงสร้างที่จัดเรียงตามระยะเวลายาวนาน 9R- ดังนั้นจึงพลิกมุมมองทั่วไปที่ว่าโครงกระดูกยูเทคติกมีความเปราะโดยธรรมชาติ โลหะผสม Al-Er-Mg (RAE700) ที่พิมพ์ตามรูปแบบ-มีความแข็งแรงของผลผลิตที่ 632 MPa ซึ่งเพิ่มขึ้นเป็น 707 MPa หลังจากการบ่มโดยตรงในขณะที่ยังคงการยืดตัวอยู่ที่ 7–10% ส่งผลให้ได้โปรไฟล์ประสิทธิภาพที่ครอบคลุม ซึ่งเหนือกว่าอลูมิเนียมอัลลอยด์ที่พิมพ์แบบ 3 มิติที่รายงานไว้ก่อนหน้านี้ทั้งหมด นอกจากนี้ ทีมวิจัยที่มหาวิทยาลัยนาโกย่าได้พัฒนาซีรีส์อัลลอยด์ Al-Fe-Mn-Ti โดยใช้กลยุทธ์ "การควบคุมการแบ่งพาร์ติชันองค์ประกอบ" โดยการเพิ่ม Cu และ Mn เพื่อทำให้เฟส Al₆Fe คงที่และเปลี่ยนเป็นระยะการเสริมกำลังที่เป็นประโยชน์-ในขณะเดียวกันก็แนะนำ Ti ที่แบ่งพาร์ติชันเป็นสถานะของแข็งเพื่อปรับแต่งเกรนให้เหลือประมาณ 2.3 μm-โลหะผสมทำให้ได้ค่าความต้านทานแรงดึงที่อุณหภูมิห้อง-ที่ 390 MPa และการยืดตัวที่ 14–17% โดยคุณสมบัติจะแทบไม่เปลี่ยนแปลงหลังจากผ่านไป 100 ชั่วโมง การสัมผัสความร้อนที่ 300 องศา