01 Herausforderungen der Zeit - Aufgrund ihrer geringen Dichte, hohen spezifischen Festigkeit und hervorragenden Korrosionsbeständigkeit sind Aluminiumlegierungen zu unverzichtbaren Strukturmaterialien in der Luft- und Raumfahrt-, Automobil- und Energieausrüstungsbranche geworden. Da jedoch die Nachfrage der modernen Industrie nach komplexen Geometrien und hochleistungsfähigen, leichten Bauteilen steigt, stoßen herkömmliche Guss- und Bearbeitungsmethoden bei der Herstellung von Teilen mit komplizierten internen Kanälen, Gitterstrukturen und dünnwandigen Merkmalen auf grundlegende Einschränkungen. Additive Fertigungstechnologien-insbesondere Laser Powder Bed Fusion (LPBF) und Laser Directed Energy Deposition (LDED)-bieten revolutionäre Wege zur Überwindung dieser Fertigungsengpässe. Die LPBF-Technologie verwendet einen hochenergetischen Laserstrahl, um vorab abgeschiedene Pulverschichten selektiv zu schmelzen und so Schicht für Schicht komplexe Komponenten mit Dichten von über 99,5 % aufzubauen. Mit typischen Abkühlgeschwindigkeiten in der Größenordnung von 10⁶ K/s können übersättigte feste Lösungen und ultrafeine -körnige Mikrostrukturen erzeugt werden, die weit von den Gleichgewichtserstarrungszuständen entfernt sind. Unterdessen zeigt die LDED-Technologie, die synchrone Pulverzufuhr und Laserschmelzen nutzt, einzigartige Vorteile bei der Reparatur beschädigter Teile und der Herstellung großformatiger Strukturbauteile sowie von Materialien mit abgestufter Zusammensetzung. Dennoch stoßen Aluminiumlegierungen bei der laseradditiven Fertigung auf eine Reihe intrinsischer physikalischer-metallurgischer Herausforderungen. Bei Raumtemperatur weisen Aluminiumlegierungen für Nahinfrarotlaser (Wellenlänge: 1070 nm) ein Reflexionsvermögen von mehr als 90 % auf, was zu einer extrem niedrigen Energiekopplungseffizienz führt und Laser mit hoher -Leistung-dichte erforderlich macht, um ein stabiles Schmelzbad aufzubauen. Aluminiumlegierungsoberflächen bilden leicht einen dichten Oxidfilm (Al₂O₃) mit einem Schmelzpunkt von 2072 Grad -deutlich höher als der 660-Grad-Schmelzpunkt der Aluminiummatrix; Fragmente dieses Oxidfilms schmelzen im Schmelzbad oft nicht vollständig und dienen häufig als Ausgangspunkt für Risse und fehlende-Fusionsdefekte. Noch wichtiger ist, dass die Löslichkeit von Wasserstoff in flüssigem Aluminium (ca. . 0.7 cm³/100 g) weitaus höher ist als in festem Aluminium (ca. . 0.04 cm³/100 g). Während der schnellen Erstarrung können übersättigte Wasserstoffatome nicht rechtzeitig herausdiffundieren und sammeln sich stattdessen an der Fest-{35}}Flüssigkeitsgrenzfläche an, um Blasenkeime zu bilden, die letztendlich metallurgische Poren mit einem Durchmesser von einigen wenigen bis mehreren zehn Mikrometern innerhalb der erstarrten Mikrostruktur zurücklassen. Der weite Erstarrungstemperaturbereich (z. B. mehr als 150 Grad für Al7075) und die erhebliche Erstarrungsschrumpfung (ca. 6 %) von Aluminiumlegierungen machen sie jedoch sehr anfällig für Erstarrungsschrumpfporosität und Heißrissbildung, sobald sich die Zuführungskanäle während der letzten Stadien der Schmelzbaderstarrung schließen; Diese Probleme stellen zentrale Herausforderungen bei der LPBF-Verarbeitung von hochfesten Aluminiumlegierungen der Serien 2xxx und 7xxx dar. Die extremen Temperaturwechseleigenschaften, die der laseradditiven Fertigung innewohnen, umfassen lokale Schmelzbadtemperaturen von mehr als 2000 Grad und umgebende Pulver- und Substrattemperaturen von Raumtemperatur bis 200 Grad, was zu Temperaturgradienten von bis zu 10⁶ K/m führt.-erzeugen komplexe thermische Spannungsfelder innerhalb der Komponente; Wenn diese Spannungen unkontrolliert bleiben, können sie zu Verwerfungen, Verformungen oder sogar Rissen zwischen den Schichten führen.
02 Zusammensetzungsdesign - Auf der Ebene des Zusammensetzungsdesigns sind Legierungssysteme, die traditionell zum Gießen und Schmieden verwendet werden, für die additive Fertigung oft ungeeignet. Am Beispiel der AlSi10Mg-Legierung sorgt ihre nahezu eutektische Zusammensetzung für eine hervorragende Fließfähigkeit beim Gießen; Unter den schnellen Erstarrungsbedingungen von LPBF fungiert das grobe eutektische Siliziumphasennetzwerk jedoch als Quelle der Spannungskonzentration. Darüber hinaus sinkt die Zugfestigkeit der Legierung bei 300 Grad auf etwa 10 % ihrer Raumtemperatur-ein Phänomen, das auf die schnelle Vergröberung und Auflösung der eutektischen Mikrostruktur bei hohen Temperaturen zurückzuführen ist. Folglich ist die Entwicklung spezieller Aluminiumlegierungszusammensetzungssysteme, die auf die Eigenschaften der additiven Fertigung zugeschnitten sind, zu einem zentralen Forschungsschwerpunkt auf diesem Gebiet geworden.
Untersuchungen des Chongqing Institute of Green and Intelligent Technology der Chinesischen Akademie der Wissenschaften zeigen, dass die Zugabe von Spurenmengen von Sc (0,2–0,4 Gew.-%) und Zr (0,1–0,3 Gew.-%) zu Al-Mg-Legierungen die *in-situ*-Bildung nanoskaliger primärer Al₃(Sc,Zr)-Phasen mit einer L1₂-geordneten Struktur während des schnellen Erstarrungsprozesses der Laser Powder Bed Fusion (LPBF) ermöglicht. Diese Phasen weisen eine äußerst geringe Gitterfehlanpassung (ungefähr 1,3 %) mit der -Al-Matrix auf und dienen als hocheffiziente heterogene Keimbildungsstellen, die Korngrößen von mehreren zehn Mikrometern bis in den Sub-Mikrometerbereich verfeinern. Die Studie zeigt, dass die so hergestellte Al-Mg-Mn-Sc-Zr-Legierung eine charakteristische bimodale Kornstruktur aufweist: einen Bereich feiner gleichachsiger Körner (durchschnittliche Größe ~1,04 μm) an den Rändern des Schmelzbads und einen Bereich säulenförmiger Körner (durchschnittliche Größe ~2,11 μm), die entlang der Aufbaurichtung in der Mitte des Schmelzbads wachsen. Diese heterogene Kornstruktur entsteht durch räumliche Variationen der Temperaturgradienten und Keimbildungsdichten innerhalb des Schmelzbades; Die Ränder weisen hohe Temperaturgradienten und eine Anreicherung primärer Al₃(Sc,Zr)-Phasen auf, die eine heterogene Keimbildung fördern, während das Zentrum durch einen stark gerichteten Temperaturgradienten gekennzeichnet ist, der das epitaktische Kristallwachstum entlang der Richtung der maximalen Wärmeableitung begünstigt. Während Sc teuer ist (ca. 3.000 $/kg), ist Zr relativ kostengünstig (ca. 30 $/kg); Durch die kombinierte Zugabe dieser Elemente entsteht eine Al₃Sc--Kern/Al₃Zr--Schale-Struktur, die nicht nur die thermische Stabilität der Verstärkungsphasen erheblich verbessert, sondern auch die Legierungskosten wirksam senkt. Unterdessen hat ein Team der Shanghai Jiao Tong University eine innovative Designstrategie vorgeschlagen, die auf einem verformbaren -transformierbaren eutektischen Nanogerüst basiert. Sie wählten ein nahezu -eutektisches Al-Er-System (12,7 Gew.-% Er) als Modelllegierung und nutzten die Bildung der L1₂-strukturierten Al₃Er-Phase-, die eine Gitterfehlanpassung von nur 3,96 % mit -Al sowie zahlreiche Gleitsysteme und eine hohe Zwillingsfähigkeit aufweist. Während des LPBF-Druckprozesses fällt Al₃Er mit einem Volumenanteil von etwa 10,3 % in Form eines kontinuierlichen 3D-Nano--Skeletts aus; Dieses Skelett hält nicht nur hohen Spannungen von mehr als 1300 MPa stand, sondern erleichtert auch die plastische Anpassung während der Verformung durch die Bildung von Verformungszwillingen und 9R-Stapelstrukturen mit langer Periode, wodurch die herkömmliche Ansicht, dass eutektische Skelette von Natur aus spröde sind, grundlegend auf den Kopf gestellt wird. Die gedruckte Al-Er-Mg-Legierung (RAE700) weist eine Streckgrenze von 632 MPa auf, die nach direkter Alterung auf 707 MPa ansteigt und gleichzeitig eine Dehnung von 7–10 % beibehält, was zu einem umfassenden Leistungsprofil führt, das alle zuvor berichteten 3D-gedruckten Aluminiumlegierungen übertrifft. Darüber hinaus entwickelte ein Forschungsteam an der Universität Nagoya eine Al-Fe-Mn-Ti-Legierungsreihe, die auf einer Strategie der „Elementverteilungskontrolle“ basiert; durch Zugabe von Cu und Mn zur Stabilisierung der Al₆Fe-Phase und Umwandlung in eine vorteilhafte Verstärkungsphase-bei gleichzeitiger Einführung von Ti, das sich in die feste Phase aufteilt, um die Körner auf etwa 2,3 μm zu verfeinern-erreicht die Legierung eine Zugfestigkeit bei Raumtemperatur von 390 MPa und eine Dehnung von 14–17 %, wobei die Eigenschaften nach 100 Stunden thermischer Einwirkung bei 300 °C nahezu unverändert bleiben Abschluss.
