01 Aktuelle Herausforderungen: Aufgrund ihrer geringen Dichte, hohen spezifischen Festigkeit und hervorragenden Korrosionsbeständigkeit sind Aluminiumlegierungen zu unverzichtbaren Strukturmaterialien in der Luft- und Raumfahrt-, Automobil- und Energieausrüstungsbranche geworden. Angesichts der steigenden Nachfrage in der modernen Industrie nach komplexen Geometrien und leistungsstarken Leichtbaukomponenten stoßen herkömmliche Guss- und Bearbeitungsmethoden jedoch bei der Herstellung von Teilen mit komplizierten internen Kanälen, Gitterstrukturen und dünnwandigen Merkmalen an grundlegende Einschränkungen. Additive Fertigungstechnologien-insbesondere Laser Powder Bed Fusion (LPBF) und Laser Directed Energy Deposition (LDED)-bieten revolutionäre Wege zur Überwindung dieser Fertigungsengpässe. Mit der LPBF-Technologie werden komplexe Bauteile mit Dichten von mehr als 99,5 % konstruiert, indem vorab abgeschiedene Pulverschichten mit einem hochenergetischen Laserstrahl selektiv geschmolzen werden und die Struktur Schicht für Schicht aufgebaut wird. Mit typischen Abkühlgeschwindigkeiten in der Größenordnung von 10⁶ K/s ermöglicht dieser Prozess die Bildung übersättigter fester Lösungen und ultrafeiner -körniger Mikrostrukturen, die weit über dem Gleichgewichtserstarrungszustand liegen. Umgekehrt bietet die LDED-Technologie-bei der neben dem Laserschmelzen auch die gleichzeitige Zufuhr von Pulver eingesetzt wird-einzigartige Vorteile bei der Reparatur beschädigter Teile, der Herstellung großformatiger Strukturbauteile und der Herstellung funktional abgestufter Materialien. Dennoch stoßen Aluminiumlegierungen während des laseradditiven Herstellungsprozesses auf eine Reihe inhärenter physikalischer-metallurgischer Herausforderungen. Aluminiumlegierungen weisen bei Raumtemperatur ein Reflexionsvermögen von über 90 % gegenüber Nahinfrarotlasern (mit einer Wellenlänge von 1070 nm) auf; Dies führt zu einer extrem niedrigen Energiekopplungseffizienz, was den Einsatz von Lasern mit hoher-Leistung-Dichte erforderlich macht, um ein stabiles Schmelzbad zu schaffen. Darüber hinaus bildet sich auf der Oberfläche von Aluminiumlegierungen leicht ein dichter Oxidfilm (Al₂O₃). Mit einem Schmelzpunkt von 2072 Grad -deutlich höher als der der Aluminiummatrix (660 Grad)-schmelzen Fragmente dieses Oxidfilms oft nicht vollständig innerhalb des Schmelzbades und dienen häufig als Keimbildungsstellen für Risse und Quellen für fehlende-Fusionsdefekte. Am kritischsten ist, dass die Löslichkeit von Wasserstoff in flüssigem Aluminium (ca. 0,7 cm³/100 g) deutlich höher ist als die in festem Aluminium (ca. 0,04 cm³/100 g). Während des schnellen Erstarrungsprozesses fehlt den übersättigten Wasserstoffatomen ausreichend Zeit zum Ausdiffundieren; Stattdessen sammeln sie sich an der Front der Fest-{40}}Flüssigkeitsgrenzfläche an, um Gasblasenkeime zu bilden, die schließlich metallurgische Poren mit einem Durchmesser von einigen Mikrometern bis zu mehreren zehn Mikrometern in der erstarrten Mikrostruktur zurücklassen. Der weite Erstarrungstemperaturbereich von Aluminiumlegierungen (z. B. über 150 Grad für Al7075) und ihre erhebliche Erstarrungsschrumpfung (ca. 6 %) machen sie jedoch sehr anfällig für Erstarrungsporosität und Heißrissbildung, sobald sich die Zufuhrkanäle am Ende des Schmelzbads verschließen. Dies stellt die zentrale Herausforderung für hochfeste Aluminiumlegierungen der Serien 2xxx und 7xxx während des LPBF-Prozesses dar. Darüber hinaus erzeugt die extreme thermische Wechselwirkung, die für die additive Laserfertigung charakteristisch ist, -bei der die Temperaturen des lokalisierten Schmelzbads 2000 Grad übersteigen, während das umgebende Pulver und das Substrat zwischen Raumtemperatur und 200 Grad bleiben, was zu Temperaturgradienten von bis zu 10⁶ K/m führt-ein komplexes thermisches Spannungsfeld innerhalb der hergestellten Komponenten erzeugt; Wenn dies nicht kontrolliert wird, kann dies zu Verwerfungen, Verformungen und sogar Rissen zwischen den Schichten führen.
02 Kompositionsdesign: Auf der Ebene des Kompositionsdesigns sind die traditionell beim Gießen und Schmieden verwendeten Aluminiumlegierungssysteme für die additive Fertigung oft ungeeignet. Nehmen wir als Beispiel die AlSi10Mg-Legierung: Während ihre nahezu eutektische Zusammensetzung ihr beim Gießen eine ausgezeichnete Fließfähigkeit verleiht, wird das grobe Netzwerk eutektischer Siliziumphasen unter den schnellen Erstarrungsbedingungen von LPBF paradoxerweise zu einer 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 erhöhten Temperaturen zurückzuführen ist. Infolgedessen hat sich die Entwicklung spezieller Aluminiumlegierungssysteme, die auf die einzigartigen Eigenschaften der additiven Fertigung zugeschnitten sind, zu einem wichtigen Forschungsschwerpunkt in diesem Bereich entwickelt.
Untersuchungen des Chongqing Institute of Green and Intelligent Technology der Chinesischen Akademie der Wissenschaften zeigen, dass durch die Zugabe von Spurenmengen von Sc (0,2–0,4 Gew.-%) und Zr (0,1–0,3 Gew.-%) zu Legierungen auf Al-Mg--Basis nanoskalige Al₃(Sc,Zr)-Primärphasen-mit einer geordneten L1₂-Struktur-gebildet werden können situ* während des schnellen Erstarrungsprozesses der Laser Powder Bed Fusion (LPBF). Diese Phase weist eine extrem geringe Gitterfehlanpassung (ungefähr 1,3 %) mit der -Al-Matrix auf und dient dadurch als hocheffiziente heterogene Keimbildungsstelle, die die Korngröße von mehreren zehn Mikrometern bis in den Sub-Mikrometerbereich verfeinert. Die Studie stellt außerdem fest, dass die SLM-hergestellte Al-Mg-Mn-Sc-Zr-Legierung eine charakteristische bimodale Kornstruktur aufweist: Die Ränder des Schmelzbades weisen eine feine gleichachsige Kornzone mit einer durchschnittlichen Korngröße von etwa 1,04 μm auf, während die Mitte des Schmelzbades aus einer säulenförmigen Kornzone-besteht, die entlang des Aufbaus wächst Richtung-mit einer durchschnittlichen Korngröße von etwa 2,11 μm. Diese heterogene Kornstruktur ist auf räumliche Variationen der Temperaturgradienten und Keimbildungsdichten innerhalb des Schmelzbades zurückzuführen; Insbesondere zeichnen sich die Schmelzbadränder durch steile Temperaturgradienten und eine Anreicherung von Al₃(Sc,Zr)-Primärphasen aus, was die heterogene Keimbildung fördert, während das Schmelzbadzentrum einen stark gerichteten Temperaturgradienten aufweist, der das epitaktische Wachstum von Kristallen entlang der Richtung der maximalen Wärmeableitung erleichtert. Während Sc ein kostspieliges Element ist (Preis ca. 3.000 $/kg), ist Zr relativ kostengünstig (ca. 30 $/kg); Durch die kombinierte Zugabe dieser beiden Elemente entsteht eine Kern-Schalenstruktur-bestehend aus einem Al₃Sc-Kern und einer Al₃Zr-Schale-, die nicht nur die thermische Stabilität der Verstärkungsphasen erheblich verbessert, sondern auch die Gesamtkosten der Legierung wirksam senkt. Unterdessen hat ein Team der Shanghai Jiao Tong University eine alternative innovative Designstrategie vorgeschlagen, die sich auf ein „verformbares-transformierbares eutektisches Nanogerüst“ konzentriert. Durch die Wahl des nahe-eutektischen Al-Er-Systems (12,7 Gew.-% Er) als Modelllegierung nutzte das Team die Fähigkeit von Er, in Verbindung mit Al eine Al₃Er-Phase mit einer L1₂-Struktur zu bilden; Diese Phase weist eine Gitterfehlanpassung von nur 3,96 % relativ zur -Al-Matrix auf und zeichnet sich durch eine Fülle von Gleitsystemen und eine hohe Fähigkeit zur Zwillingsbildung aus. Während des LPBF-Druckprozesses fällt Al₃Er in Form eines kontinuierlichen, dreidimensionalen nanoskaligen Skeletts aus, das etwa 10,3 Vol.-% ausmacht. Dieses Skelett ist nicht nur in der Lage, hohen Spannungen von mehr als 1300 MPa standzuhalten, sondern erleichtert auch die plastische Anpassung während der Verformung durch die Bildung von Verformungszwillingen und 9R-Stapelungsstrukturen mit 9R-Zeitraum-geordneter Strukturen-und stellt damit die traditionelle Vorstellung, dass eutektische Skelette von Natur aus spröde sind, grundlegend auf den Kopf. Die gedruckte Al-Er-Mg-Legierung (RAE700) weist eine Streckgrenze von 632 MPa auf, die nach direkter Alterungsbehandlung weiter auf 707 MPa ansteigt, während gleichzeitig eine Dehnung von 7–10 % erhalten bleibt; Diese umfassenden Eigenschaften übertreffen die aller bisher beschriebenen 3D-gedruckten Aluminiumlegierungen. Darüber hinaus hat ein Forschungsteam an der Universität Nagoya eine Reihe von Al-Fe-Mn-Ti-Legierungen entwickelt, die auf einer Strategie der „Elementarverteilungskontrolle“ basieren. Durch die Zugabe von Cu und Mn stabilisierten sie erfolgreich die Al₆Fe-Phase-und wandelten sie in eine vorteilhafte Verstärkungsphase um-während sie gleichzeitig Ti einführten, das sich in die feste Phase aufteilt, um eine Kornverfeinerung zu bewirken (auf etwa 2,3 μm). Folglich erreicht die Legierung eine Zugfestigkeit bei Raumtemperatur von 390 MPa und eine Duktilität von 14–17 %; Bemerkenswert ist, dass seine mechanischen Eigenschaften auch nach 100-stündiger thermischer Belastung bei 300 Grad nahezu unverändert bleiben.
03 Prozesskontrolle: Der quantitative Zusammenhang zwischen Prozessparametern und Schmelzbaddynamik ist der Schlüssel zur Aufklärung der Mechanismen, die die Mikrostrukturbildung bei der laseradditiven Fertigung von Aluminiumlegierungen steuern. Das strömungsdynamische Verhalten im Schmelzbad wird gemeinsam durch Marangoni-Konvektion, Rückstoßdruck, Auftrieb und Thermokapillarkräfte bestimmt. Unter diesen stellen die Marangoni-Scherkräfte -, die aus Oberflächenspannungsgradienten entstehen, die durch Temperaturgradienten entlang der Oberfläche des Schmelzbads induziert werden-die dominierende Kraft dar, die den Fluss geschmolzenen Metalls vom Zentrum des Beckens in Richtung seiner Peripherie antreibt. Umgekehrt übt der Rückstoßdruck, der durch den kräftigen Ausstoß von Metalldampf innerhalb des Schlüssellochs erzeugt wird, eine Druckkraft aus, die das geschmolzene Metall zum Boden und zu den Seitenwänden des Schlüssellochs drückt. Studien deuten darauf hin, dass die volumetrische Energiedichte (VED) als kritische Messgröße für die Bestimmung von Schmelzbadmodusübergängen dient: Wenn die VED etwa 60 J/mm³ überschreitet, reicht der Verdampfungsrückstoßdruck aus, um im Schmelzbad ein Schlüsselloch mit einem Seitenverhältnis von mehr als 1 zu erzeugen, wodurch der „Schlüssellochmodus“ eingeleitet wird; umgekehrt läuft der Prozess im „Leitungsmodus“ ab. Obwohl der Schlüssellochmodus das Erreichen einer hohen Materialdichte erleichtert, stellt die instabile Schwingung des Schlüssellochs -insbesondere der periodische Kollaps seiner Vorderwand -den primären Mechanismus für die Bildung der Schlüssellochporosität dar (Poren haben typischerweise einen Durchmesser von 50–200 μm). Diese Poren zeichnen sich durch ihre große Größe und unregelmäßige Morphologie aus, was die Ermüdungsleistung erheblich stärker beeinträchtigt als metallurgische Poren im feinen Maßstab. An der Northwestern Polytechnical University durchgeführte Untersuchungen haben gezeigt, dass die Zugabe einer Spurenmenge (0,15 Gew.-%) eines Al-Nb-B-Kornfeinungsmittels zu einer AlSi10Mg-Legierung den säulenförmigen -zu -gleichachsigen Übergang (CET) erheblich modulieren kann. Die resultierenden NbB₂- und Al₃Nb-Partikel fungieren als heterogene Keimbildungsstellen und erhöhen den Volumenanteil gleichachsiger Körner von weniger als 20 % auf über 80 %; Gleichzeitig wird durch diesen Eingriff das plastische Anisotropieverhältnis (definiert als Verhältnis von Längs- zu Querdehnung) von 3,5 auf 1,2 reduziert, wodurch ein Zustand nahezu vollständiger Isotropie erreicht wird. Die evolutionären Eigenschaften von Porositätsdefekten weisen deutliche Unterschiede zwischen verschiedenen Aluminiumlegierungssystemen auf: Bei Legierungen der Al-Cu-Serie führt der breite Erstarrungsbereich zu einem erhöhten Strömungswiderstand innerhalb der Breizone, was eine effektive Zuführung (kompensatorischer Schmelzfluss) schwieriger macht; Folglich kann der Volumenanteil metallurgischer Poren in diesen Legierungen 1–2 % erreichen. Im Gegensatz dazu ermöglichen Legierungen der Al-Si-Reihe-aufgrund des engen Erstarrungsbereichs, der mit ihrer eutektischen Zusammensetzung verbunden ist,-eine wirksame Kontrolle der Porositätsniveaus auf unter 0,1 %. Die Bildung der Kristalltextur ist eng mit dem schichtweisen Erstarrungsverhalten verknüpft. wenn eine unidirektionale Scanstrategie von 0 Grad verwendet wird, a<001>Die Textur entwickelt sich entlang der Baurichtung, was zu einem Unterschied von 10–20 % zwischen den Streckgrenzen in Längsrichtung (Baurichtung) und Querrichtung führt. Umgekehrt kann die Anwendung einer Scanstrategie mit 67-Grad-Rotation die Texturintensität auf ein Niveau zufälliger Ausrichtung reduzieren und dadurch die Anisotropie der mechanischen Eigenschaften im Wesentlichen beseitigen. Im Hinblick auf die Betriebsleistung bei hohen Temperaturen weisen additiv gefertigte Aluminiumlegierungen ein einzigartiges Potenzial für die Verstärkung sowie spezifische Herausforderungen hinsichtlich der Verschlechterung der Eigenschaften auf. Ein Übersichtsartikel der Central South University kategorisiert die Hochtemperaturverfestigungsmechanismen hitzebeständiger, additiv gefertigter Aluminiumlegierungen in drei Kernpfade. Erstens baut der mehrkomponentige synergistische Effekt eine mehrschichtige, thermisch stabile Architektur auf, indem Elemente mit unterschiedlichen Diffusionsraten eingebaut werden. Beispielsweise erzeugt in Al-Ce-Sc-Zr-Legierungen die dichte und gleichmäßige eutektische Al₁₁Ce₃-Phase in Kombination mit intragranularen L1₂-Al₃(Sc,Zr)-Ausscheidungen einen doppelten -verstärkenden Effekt; Dadurch behält die Legierung eine Zugfestigkeit von 233 MPa bei 300 Grad und 142 MPa bei 400 Grad, ohne dass eine signifikante Kornvergröberung beobachtet wird, selbst nach längerer thermischer Einwirkung bei 400 Grad über 96 Stunden. Zweitens beruht die intermetallische Verstärkung auf der Auswahl intermetallischer Verbindungen mit niedrigen Diffusionskoeffizienten und hohen Schmelzpunkten, um bei erhöhten Temperaturen eine starre Skelettstruktur zu bilden. Die Vergröberungsgeschwindigkeitskonstante der Al₁₁Ce₃-Phase bei 400 Grad beträgt lediglich 1,6 nm³/s-deutlich niedriger als die der Al₂Cu-Phase in herkömmlichen Al-Cu-Legierungen bei derselben Temperatur (ungefähr 100 nm³/s); Diese überlegene Stabilität bei hohen Temperaturen ermöglicht es ersterem, kontinuierlich als wirksame Barriere gegen Versetzungsbewegungen zu wirken. Drittens hemmt die Regulierung auf atomarer --Ebene die Vergröberung, indem sie segregierende Elemente an den Grenzflächen zwischen Verstärkungsphasen und der Matrix einführt. Studien haben gezeigt, dass Elemente wie Sc, Zr, Si und Mn-, die sich an der Grenzfläche θ′-Al₂Cu/-Al- entmischen, die Grenzflächenenergie senken und die Atomdiffusion behindern können, wodurch der Betriebstemperaturbereich von Legierungen der 2xxx{41}}-Serie von der traditionellen Grenze von 200 Grad auf 250 Grad bis erweitert wird 300 Grad. Eine in *Nature Communications*-veröffentlichte Studie unter der Leitung von Akademiker Lu Jian von der City University of Hong Kong in Zusammenarbeit mit mehreren Institutionen-hat einen bedeutenden Schritt nach vorne gemacht, indem sie häufige Verunreinigungselemente in Aluminiumlegierungen (Si, Fe, Mn und Ni) nutzte, um eine hitzebeständige Lösung zu entwickeln Al-7,44Si-2,34Fe-1,79Mn-1,12Ni-Legierung, die weder Edelmetalle noch Seltenerdelemente enthält. Unter schnellen Erstarrungsbedingungen unterliegt diese Legierung einer Nicht-Gleichgewichtssegregation, wodurch hitzebeständige intermetallische Mehrkomponenten-Nanopräzipitate eingebettet werden, die einen Volumenanteil von bis zu 14 % einnehmen-an den Grenzen der Erstarrungszelle und dadurch eine thermisch stabile zelluläre Mikrostruktur bilden. Ohne dass eine Nachbearbeitung erforderlich ist, weist die Legierung eine Zugfestigkeit bei Raumtemperatur von 582 MPa auf, mit Festigkeiten von 263 MPa und 114 MPa bei 300 Grad bzw. 400 Grad. Darüber hinaus zeigt die Studie zum ersten Mal bei Aluminiumlegierungen einen Verfestigungsmechanismus auf, der durch Amorphisierung im festen Zustand-getrieben wird: Bei der Verformung bei hohen Temperaturen erfährt ein Teil der intermetallischen Nanopräzipitate eine amorphe Umwandlung im festen Zustand und bildet letztendlich ein „amorphes + Nanopartikel (L1₂-geordnete ′-(Ni,Fe)₃Al-Phase)“ nanobiphasische Struktur, die einen zusätzlichen Energiedissipationsweg für die Rissausbreitung bei hohen Temperaturen bietet.
