01 Le sfide dell'era - Grazie alla loro bassa densità, all'elevata resistenza specifica e all'eccellente resistenza alla corrosione, le leghe di alluminio sono diventate materiali strutturali indispensabili nei settori aerospaziale, automobilistico e delle apparecchiature energetiche. Tuttavia, con l'aumento della domanda da parte dell'industria moderna di geometrie complesse e componenti leggeri e ad alte-prestazioni, i tradizionali metodi di fusione e lavorazione devono affrontare limitazioni fondamentali nella produzione di parti caratterizzate da canali interni intricati, strutture reticolari e caratteristiche di pareti sottili-. Le tecnologie di produzione additiva-in particolare Laser Powder Bed Fusion (LPBF) e Laser Directed Energy Deposition (LDED)-offrono percorsi rivoluzionari per superare questi colli di bottiglia nella produzione. La tecnologia LPBF utilizza un raggio laser ad alta-energia per sciogliere selettivamente strati di polvere pre-depositati, costruendo componenti complessi con densità superiori al 99,5% strato per strato; con velocità di raffreddamento tipiche che raggiungono l'ordine di 10⁶ K/s, può produrre soluzioni solide supersature e microstrutture a grana ultrafine-molto lontane dagli stati di solidificazione di equilibrio. Nel frattempo, la tecnologia LDED, che utilizza l'alimentazione sincrona delle polveri e la fusione laser, dimostra vantaggi unici nella riparazione di parti danneggiate e nella produzione di componenti strutturali su larga scala-e di materiali classificati a livello compositivo. Tuttavia, le leghe di alluminio incontrano una serie di sfide fisiche-metallurgiche intrinseche durante la produzione additiva laser. A temperatura ambiente, le leghe di alluminio mostrano una riflettività superiore al 90% per i laser nel vicino-infrarosso (lunghezza d'onda: 1070 nm), con conseguente efficienza di accoppiamento energetico estremamente bassa e che richiedono laser ad alta-potenza-densità per creare un pool di fusione stabile. Le superfici della lega di alluminio formano facilmente una pellicola di ossido denso (Al₂O₃) con un punto di fusione di 2072 gradi -significativamente superiore al punto di fusione di 660 gradi della matrice di alluminio; i frammenti di questo film di ossido spesso non riescono a sciogliersi completamente all'interno del pool di fusione, fungendo spesso da siti di inizio per crepe e difetti di mancanza-di-fusione. Ancora più critico, la solubilità dell'idrogeno nell'alluminio liquido (circa. 0.7 cm³/100 g) è di gran lunga superiore a quella dell'alluminio solido (circa. 0.04 cm³/100 g); durante la rapida solidificazione, gli atomi di idrogeno sovrasaturi non possono diffondersi nel tempo e invece si accumulano nell'interfaccia solido-liquido per formare nuclei di bolle, lasciando infine dietro di sé pori metallurgici di diametro compreso tra poche e diverse decine di micrometri all'interno della microstruttura solidificata. Nel frattempo, l’ampio intervallo di temperature di solidificazione (ad esempio, superiore a 150 gradi per Al7075) e il significativo ritiro da solidificazione (circa il 6%) delle leghe di alluminio le rendono altamente suscettibili alla porosità da ritiro da solidificazione e alla fessurazione a caldo una volta che i canali di alimentazione si chiudono durante le fasi finali della solidificazione del bagno di fusione; questi problemi rappresentano le sfide principali nella lavorazione LPBF delle leghe di alluminio ad alta resistenza delle serie 2xxx e 7xxx. Le caratteristiche estreme del ciclo termico inerenti alla produzione additiva laser-che comportano temperature localizzate del bagno di fusione superiori a 2000 gradi insieme a temperature circostanti della polvere e del substrato che vanno dalla temperatura ambiente a 200 gradi, con conseguenti gradienti di temperatura fino a 10⁶ K/m-generano complessi campi di stress termico all'interno del componente; se lasciate incontrollate, queste sollecitazioni possono portare a deformazioni, deformazioni o addirittura fessurazioni tra gli strati.
02 Progettazione della composizione - A livello di progettazione della composizione, i sistemi di leghe tradizionalmente utilizzati per la fusione e la forgiatura sono spesso inadatti alla produzione additiva. Prendendo come esempio la lega AlSi10Mg, la sua composizione quasi-eutettica conferisce un'eccellente fluidità durante la fusione; tuttavia, nelle condizioni di rapida solidificazione dell'LPBF, la rete di fase di silicio eutettico grossolano agisce come fonte di concentrazione di stress. Inoltre, la resistenza alla trazione della lega a 300 gradi precipita a circa il 10% della sua resistenza alla -temperatura ambiente-un fenomeno attribuito al rapido ingrossamento e dissoluzione della microstruttura eutettica alle alte temperature. Di conseguenza, lo sviluppo di sistemi specializzati di composizione delle leghe di alluminio adattati alle caratteristiche della produzione additiva è diventato un obiettivo chiave della ricerca nel settore.
Una ricerca condotta dal Chongqing Institute of Green and Intelligent Technology, Accademia cinese delle scienze, rivela che l'aggiunta di tracce di Sc (0,2–0,4 in peso%) e Zr (0,1–0,3 in peso%) alle leghe Al-Mg consente la formazione *in situ* di fasi primarie Al₃(Sc,Zr) su scala nanometrica con una struttura ordinata L1₂ durante il processo di solidificazione rapida della Laser Powder Bed Fusion (LPBF). Queste fasi mostrano un disadattamento reticolare estremamente basso (circa 1,3%) con la matrice -Al e fungono da siti di nucleazione eterogenei altamente efficienti, raffinando le dimensioni dei grani da decine di micrometri fino alla scala sub-micrometrica. Lo studio indica che la lega Al-Mg-Mn-Sc-Zr così come costruita mostra una caratteristica struttura bimodale dei grani: una regione di grani fini equiassici (dimensione media ~1,04 μm) ai bordi del bagno di fusione e una regione di grani colonnari (dimensione media ~2,11 μm) che crescono lungo la direzione di costruzione al centro del bagno di fusione. Questa struttura eterogenea del grano deriva da variazioni spaziali nei gradienti di temperatura e nelle densità di nucleazione all'interno del pool di fusione; i bordi presentano elevati gradienti di temperatura e un arricchimento di fasi primarie Al₃(Sc,Zr), che promuovono la nucleazione eterogenea, mentre il centro è caratterizzato da un gradiente di temperatura fortemente direzionale che favorisce la crescita dei cristalli epitassiali lungo la direzione di massima dissipazione del calore. In particolare, mentre Sc è costoso (circa 3.000 $/kg), Zr è relativamente economico (circa 30 $/kg); l'aggiunta combinata di questi elementi crea una struttura Al₃Sc-core/Al₃Zr-shell che non solo migliora significativamente la stabilità termica delle fasi di rinforzo ma riduce anche efficacemente i costi della lega. Nel frattempo, un team dell'Università Jiao Tong di Shanghai ha proposto una strategia di progettazione innovativa basata su una nanoimpalcatura eutettica deformabile-trasformabile. Hanno selezionato un sistema Al-Er quasi eutettico (12,7% in peso di Er) come lega modello, utilizzando la formazione della fase L1₂-Al₃Er strutturata-che mostra un disadattamento reticolare di solo il 3,96% con -Al, insieme ad abbondanti sistemi di scorrimento e un'elevata capacità di gemellaggio. Durante il processo di stampa LPBF, Al₃Er precipita con una frazione in volume di circa il 10,3% sotto forma di un nanoscheletro 3D continuo; questo scheletro non solo resiste a sollecitazioni elevate superiori a 1300 MPa, ma facilita anche l'accomodamento plastico durante la deformazione attraverso la formazione di gemelli di deformazione e strutture ordinate di impilamento a lungo periodo 9R-, ribaltando così radicalmente la visione convenzionale secondo cui gli scheletri eutettici sono intrinsecamente fragili. La lega Al-Er-Mg così come stampata (RAE700) mostra un carico di snervamento di 632 MPa, che aumenta a 707 MPa dopo l'invecchiamento diretto mantenendo un allungamento del 7–10%, risultando in un profilo prestazionale completo che supera tutte le leghe di alluminio stampate in 3D-precedentemente riportate. Inoltre, un gruppo di ricerca dell'Università di Nagoya ha sviluppato una serie di leghe Al-Fe-Mn-Ti basata su una strategia di "controllo della partizione degli elementi"; aggiungendo Cu e Mn per stabilizzare la fase Al₆Fe e trasformarla in una benefica fase di rafforzamento-introducendo contemporaneamente Ti che si divide nella fase solida per affinare i grani a circa 2,3 μm-la lega raggiunge una resistenza alla trazione a temperatura ambiente-di 390 MPa e un allungamento del 14–17%, con proprietà che rimangono praticamente invariate dopo 100 ore di esposizione termica a 300 grado.
