01 التحديات المعاصرة: نظرًا لكثافتها المنخفضة وقوتها النوعية العالية ومقاومتها الممتازة للتآكل، أصبحت سبائك الألومنيوم مواد هيكلية لا غنى عنها في قطاعات معدات الفضاء الجوي والسيارات والطاقة. ومع ذلك، مع الطلب المتزايد في الصناعة الحديثة على الأشكال الهندسية المعقدة والمكونات خفيفة الوزن-عالية الأداء، تواجه طرق الصب والتصنيع التقليدية قيودًا أساسية عند تصنيع الأجزاء التي تتميز بقنوات داخلية معقدة وهياكل شبكية وميزات ذات جدران رقيقة-. توفر تقنيات التصنيع المضافة-على وجه التحديد تقنية دمج طبقة المسحوق بالليزر (LPBF) وترسيب الطاقة الموجهة بالليزر (LDED)-طرقًا ثورية للتغلب على اختناقات التصنيع هذه. تعمل تقنية LPBF على إنشاء مكونات معقدة ذات كثافات تتجاوز 99.5% عن طريق الصهر الانتقائي لطبقات المسحوق المودعة مسبقًا- باستخدام شعاع ليزر عالي الطاقة-، مما يؤدي إلى بناء الهيكل طبقة تلو الأخرى. مع وصول معدلات التبريد النموذجية إلى حوالي 10⁶ كلفن/ثانية، تتيح هذه العملية تكوين محاليل صلبة مفرطة التشبع وبنى مجهرية متناهية الصغر -تقع في ما هو أبعد من حالة التصلب المتوازن. وعلى العكس من ذلك، فإن تقنية LDED-التي تستخدم التغذية المتزامنة للمسحوق إلى جانب الصهر بالليزر-توضح مزايا فريدة في إصلاح الأجزاء التالفة، وتصنيع-مكونات هيكلية كبيرة الحجم، وإنتاج مواد متدرجة وظيفيًا. ومع ذلك، تواجه سبائك الألومنيوم سلسلة من التحديات المعدنية-الفيزيائية المتأصلة أثناء عملية تصنيع المواد المضافة بالليزر. تُظهر سبائك الألومنيوم انعكاسًا يزيد عن 90% تجاه أشعة الليزر القريبة من الأشعة تحت الحمراء - (بطول موجي 1070 نانومتر) في درجة حرارة الغرفة؛ يؤدي هذا إلى كفاءة اقتران منخفضة للغاية للطاقة، مما يستلزم استخدام أشعة ليزر ذات كثافة عالية-طاقة- لإنشاء مجمع ذوبان مستقر. علاوة على ذلك، يتشكل فيلم أكسيد كثيف (Al₂O₃) بسهولة على سطح سبائك الألومنيوم. مع نقطة انصهار تبلغ 2072 درجة -أعلى بكثير من نقطة انصهار مصفوفة الألومنيوم (660 درجة )-شظايا فيلم الأكسيد هذا غالبًا ما تفشل في الذوبان تمامًا داخل حوض الذوبان، وغالبًا ما تعمل كمواقع نوية للشقوق ومصادر نقص-عيوب الاندماج-. والأهم من ذلك، أن قابلية ذوبان الهيدروجين في الألومنيوم السائل (حوالي 0.7 سم مكعب / 100 جم) أعلى بكثير من قابلية ذوبانه في الألومنيوم الصلب (حوالي 0.04 سم مكعب / 100 جم). أثناء عملية التصلب السريع، تفتقر ذرات الهيدروجين المفرطة التشبع إلى الوقت الكافي للانتشار؛ وبدلاً من ذلك، فإنها تتراكم عند الواجهة الصلبة-السائلة لتشكل نوى فقاعة الغاز، مما يترك وراءها في النهاية مسام معدنية يتراوح قطرها من بضعة ميكرونات إلى عشرات الميكرونات داخل البنية المجهرية المتصلبة. وفي الوقت نفسه، فإن نطاق درجة حرارة التصلب الواسع لسبائك الألومنيوم (على سبيل المثال، يتجاوز 150 درجة لـ Al7075) وانكماش التصلب الكبير (حوالي 6٪) يجعلها شديدة التعرض لمسامية التصلب والتكسير الساخن بمجرد إغلاق قنوات التغذية في ذيل حوض الذوبان. يشكل هذا التحدي الأساسي الذي يواجه سبائك الألومنيوم من سلسلة -القوة العالية 2xxx و7xxx أثناء عملية LPBF. علاوة على ذلك، فإن خاصية التدوير الحراري القصوى لتصنيع المواد المضافة بالليزر-حيث تتجاوز درجات حرارة حوض الذوبان الموضعي 2000 درجة بينما يظل المسحوق والركيزة المحيطة بين درجة حرارة الغرفة و200 درجة، مما يؤدي إلى تدرجات حرارة تصل إلى 10⁶ ك/م- يولد مجال إجهاد حراري معقد داخل المكونات المصنعة؛ إذا تركت دون تحكم، فقد يؤدي ذلك إلى التواء وتشوه وحتى تشقق بين الطبقات.
02 تصميم التركيب: على مستوى تصميم التركيب، غالبًا ما تكون أنظمة سبائك الألومنيوم المستخدمة تقليديًا في الصب والتزوير غير مناسبة للتصنيع الإضافي. لنأخذ سبيكة AlSi10Mg كمثال: في حين أن تركيبتها القريبة من -الانصهار تمنحها سيولة ممتازة أثناء الصب، في ظل ظروف التصلب السريع لـ LPBF، فإن الشبكة الخشنة من أطوار السيليكون سهلة الانصهار تصبح على نحو متناقض مصدرًا لتركيز الإجهاد. علاوة على ذلك، تنخفض قوة شد السبيكة عند 300 درجة إلى ما يقرب من 10% من قوة درجة حرارة غرفتها-وهي ظاهرة تعزى إلى الخشونة السريعة والانحلال للبنية المجهرية سهلة الانصهار عند درجات حرارة مرتفعة. ونتيجة لذلك، برز تطوير أنظمة سبائك الألومنيوم المتخصصة المصممة خصيصًا للخصائص الفريدة للتصنيع الإضافي كنقطة بحث رئيسية في هذا المجال.
يكشف البحث الذي أجراه معهد تشونغتشينغ للتكنولوجيا الخضراء والذكية، الأكاديمية الصينية للعلوم، أنه من خلال إضافة كميات ضئيلة من Sc (0.2–0.4 بالوزن%) وZr (0.1–0.3 بالوزن%) إلى السبائك القائمة على Al-Mg-، يمكن تشكيل المراحل الأولية Al₃(Sc,Zr) النانوية-التي تمتلك بنية L1₂ مرتبة- *في الموقع* أثناء عملية التصلب السريع لدمج طبقة مسحوق الليزر (LPBF). تُظهر هذه المرحلة عدم تطابق شبكي منخفض للغاية (حوالي 1.3%) مع مصفوفة -Al، وبالتالي تعمل كموقع نووي غير متجانس عالي الكفاءة يعمل على تحسين حجم الحبوب من عشرات الميكرومترات وصولاً إلى مستوى الميكرومتر الفرعي-. تشير الدراسة أيضًا إلى أن سبيكة SLM-Al-Mg-Mn-Sc-Zr تقدم بنية حبيبية مميزة ثنائية النسق: تتميز حواف حوض الذوبان بمنطقة حبيبية دقيقة متساوية المحاور بمتوسط حجم حبيبي يبلغ حوالي 1.04 ميكرومتر، بينما يتكون مركز حوض الذوبان من منطقة حبوب عمودية- تنمو على طول اتجاه البناء-بمتوسط حجم حبيبات يبلغ حوالي 2.11 ميكرومتر. ينبع هيكل الحبوب غير المتجانس هذا من الاختلافات المكانية في التدرجات الحرارية وكثافات النواة داخل حوض الذوبان؛ على وجه التحديد، تتميز حواف حوض الذوبان بتدرجات شديدة الانحدار في درجة الحرارة وإثراء المراحل الأولية Al₃(Sc,Zr)، مما يعزز النواة غير المتجانسة، في حين يُظهر مركز حوض الذوبان تدرجًا شديد الاتجاه في درجة الحرارة يسهل النمو الفوقي للبلورات على طول اتجاه الحد الأقصى لتبديد الحرارة. ومن الجدير بالذكر أنه في حين أن Sc عنصر مكلف (سعره حوالي 3000 دولار/كجم)، فإن Zr غير مكلف نسبيًا (حوالي 30 دولارًا/كجم)؛ تؤدي الإضافة المدمجة لهذين العنصرين إلى إنشاء -بنية غلافية-تتكون من نواة Al₃Sc وطبقة Al₃Zr-والتي لا تعزز بشكل كبير الاستقرار الحراري لمراحل التقوية فحسب، بل تقلل أيضًا من التكلفة الإجمالية للسبيكة بشكل فعال. وفي الوقت نفسه، اقترح فريق من جامعة شنغهاي جياو تونغ استراتيجية تصميم مبتكرة بديلة تتمحور حول "سقالة نانوية سهلة الانصهار-قابلة للتشوه والتحويل". من خلال اختيار نظام Al - سهل الانصهار Al - Er (12.7٪ بالوزن Er) باعتباره سبيكة نموذجية، استفاد الفريق من قدرة Er على تكوين مرحلة Al₃Er بهيكل L1₂ جنبًا إلى جنب مع Al؛ تُظهر هذه المرحلة عدم تطابق شبكي بنسبة 3.96% فقط بالنسبة إلى مصفوفة -Al وتتميز بوفرة أنظمة الانزلاق وقدرة عالية على التوأمة. أثناء عملية طباعة LPBF، يترسب Al₃Er في شكل هيكل عظمي نانوي متواصل ثلاثي الأبعاد، ويشكل حوالي 10.3% من الحجم. هذا الهيكل العظمي ليس فقط قادرًا على تحمل ضغوط عالية تتجاوز 1300 ميجا باسكال ولكنه يسهل أيضًا التكيف البلاستيكي أثناء التشوه من خلال تكوين توائم تشوه و9R طويلة-تراص فترة-هياكل مرتبة-مما يقلب بشكل أساسي الفكرة التقليدية القائلة بأن الهياكل العظمية سهلة الانصهار هشة بطبيعتها. تُظهر سبيكة -Al-Er-Mg (RAE700) المطبوعة قوة إنتاج تبلغ 632 ميجا باسكال، والتي تزيد إلى 707 ميجا باسكال بعد معالجة الشيخوخة المباشرة، مع الحفاظ في الوقت نفسه على استطالة بنسبة 7-10%؛ وتتفوق هذه الخصائص الشاملة على جميع سبائك الألومنيوم-المطبوعة بتقنية ثلاثية الأبعاد والمذكورة سابقًا. علاوة على ذلك، قام فريق بحث في جامعة ناغويا بتطوير سلسلة من سبائك Al-Fe-Mn-Ti بناءً على استراتيجية "التحكم في التقسيم العنصري". من خلال إضافة Cu وMn، نجحوا في تثبيت مرحلة Al₆Fe- وتحويلها إلى مرحلة تقوية مفيدة -مع إدخال Ti في نفس الوقت، والذي يقسم الطور الصلب للحث على صقل الحبوب (إلى حوالي 2.3 ميكرومتر). ونتيجة لذلك، تحقق السبيكة قوة شد في درجة حرارة الغرفة تبلغ 390 ميجا باسكال وليونة تبلغ 14-17%؛ بشكل ملحوظ، تظل خواصه الميكانيكية دون تغيير تقريبًا حتى بعد التعرض الحراري عند 300 درجة لمدة 100 ساعة.
03 التحكم في العملية: تعد العلاقة الكمية بين معلمات العملية وديناميكيات حوض الذوبان أمرًا أساسيًا لتوضيح الآليات التي تحكم تكوين البنية المجهرية في تصنيع المواد المضافة بالليزر لسبائك الألومنيوم. يتم تحديد السلوكيات الديناميكية للسوائل داخل حوض الذوبان بشكل جماعي من خلال الحمل الحراري لمارانجوني، وضغط الارتداد، والطفو، والقوى الشعرية الحرارية. ومن بين هذه القوى، تشكل قوى قص مارانجوني-الناشئة عن تدرجات التوتر السطحي الناتجة عن تدرجات درجة الحرارة عبر سطح حوض السباحة المنصهر-القوة المهيمنة التي تدفع تدفق المعدن المنصهر من مركز حمام السباحة نحو محيطه. وعلى العكس من ذلك، فإن ضغط الارتداد-الناتج عن القذف القوي لبخار المعدن داخل ثقب المفتاح-يمارس قوة ضغط تدفع المعدن المنصهر نحو الجزء السفلي والجدران الجانبية لثقب المفتاح. تشير الدراسات إلى أن كثافة الطاقة الحجمية (VED) تعمل كمقياس حاسم لتحديد التحولات في وضع حوض الذوبان: عندما تتجاوز VED حوالي 60 جول/مم مكعب، يصبح ضغط الارتداد التبخري كافيًا لإنشاء ثقب مفتاح داخل حوض الذوبان بنسبة عرض إلى ارتفاع أكبر من 1، وبالتالي بدء "وضع ثقب المفتاح"؛ وعلى العكس من ذلك، تعمل العملية في "وضع التوصيل". على الرغم من أن وضع ثقب المفتاح يسهل تحقيق كثافة مادية عالية، فإن التذبذب غير المستقر لثقب المفتاح-على وجه التحديد، الانهيار الدوري لجداره الأمامي-يشكل الآلية الأساسية لتكوين مسامية ثقب المفتاح (يبلغ قطر المسام عادةً 50-200 ميكرومتر). تتميز هذه المسام بحجمها الكبير وشكلها غير المنتظم، مما يلحق ضررًا أكبر بكثير بأداء الكلال مقارنة بالمسام المعدنية الدقيقة-. أظهرت الأبحاث التي أجريت في جامعة Northwestern Polytechnical أن إضافة كمية ضئيلة (0.15٪ بالوزن) من مصفاة الحبوب Al-Nb-B إلى سبيكة AlSi10Mg يمكن أن تعدل بشكل كبير الانتقال العمودي - إلى - الانتقال المتساوي المحاور (CET). تعمل جزيئات NbB₂ وAl₃Nb الناتجة كمواقع نووية غير متجانسة، على رفع الجزء الحجمي للحبوب متساوية المحاور من أقل من 20% إلى أكثر من 80%؛ في الوقت نفسه، يقلل هذا التدخل من نسبة تباين الخواص اللدنة (المحددة على أنها نسبة الاستطالة الطولية إلى الاستطالة العرضية) من 3.5 إلى 1.2، وبالتالي تحقيق حالة من التباين الكامل تقريبًا. تظهر الخصائص التطورية لعيوب المسامية اختلافات واضحة عبر أنظمة سبائك الألومنيوم المختلفة: في سبائك سلسلة Al-Cu، يؤدي نطاق التصلب الواسع إلى زيادة مقاومة التدفق داخل المنطقة الطرية، مما يجعل التغذية الفعالة (تدفق الذوبان التعويضي) أكثر صعوبة؛ وبالتالي، يمكن أن يصل الجزء الحجمي للمسام المعدنية في هذه السبائك إلى 1-2%. في المقابل، تسمح سبائك سلسلة Al-Si-بسبب نطاق التصلب الضيق المرتبط بتركيبتها سهلة الانصهار-بالتحكم بفعالية في مستويات المسامية إلى أقل من 0.1%. يرتبط تكوين النسيج البلوري ارتباطًا وثيقًا بالطبقة-بواسطة-سلوك تصلب الطبقة؛ عند استخدام استراتيجية المسح أحادي الاتجاه بدرجة 0، أ<001>يتطور النسيج على طول اتجاه البناء، مما يؤدي إلى اختلاف بنسبة 10-20% بين نقاط قوة الخضوع في الاتجاه الطولي (اتجاه البناء) والاتجاهات العرضية. على العكس من ذلك، فإن اعتماد استراتيجية المسح الدوراني بمقدار 67 درجة يمكن أن يقلل من كثافة النسيج إلى مستوى الاتجاه العشوائي، وبالتالي القضاء بشكل أساسي على تباين الخواص الميكانيكية. فيما يتعلق بأداء الخدمة في درجات الحرارة العالية-، تظهر سبائك الألومنيوم المصنعة بشكل إضافي إمكانية فريدة للتقوية جنبًا إلى جنب مع التحديات المحددة المتعلقة بتدهور الممتلكات. تصنف مقالة مراجعة أجرتها جامعة Central South University -آليات تقوية درجات الحرارة المرتفعة لسبائك الألومنيوم المصنعة بشكل إضافي والمقاومة للحرارة إلى ثلاثة مسارات أساسية. أولاً، يعمل التأثير التآزري متعدد المكونات على إنشاء بنية متعددة-مستقرة حراريًا من خلال دمج عناصر ذات معدلات انتشار مختلفة. على سبيل المثال، في سبائك Al-Ce-Sc-Zr، فإن الطور سهل الانصهار Al₁₁Ce₃ الكثيف والموحد، جنبًا إلى جنب مع رواسب L1₂-Al₃(Sc,Zr) داخل الحبيبات، يخلق تأثير تقوية مزدوجًا؛ وهذا يمكّن السبيكة من الاحتفاظ بقوة شد تبلغ 233 ميجا باسكال عند 300 درجة و142 ميجا باسكال عند 400 درجة، مع عدم ملاحظة أي خشونة كبيرة للحبيبات حتى بعد التعرض الحراري لفترة طويلة عند 400 درجة لمدة 96 ساعة. ثانيًا، يعتمد التقوية بين المعادن على اختيار مركبات بين المعادن ذات معاملات انتشار منخفضة ونقاط انصهار عالية لتشكيل هيكل هيكلي صلب عند درجات حرارة مرتفعة. ثابت معدل التخشين لمرحلة Al₁₁Ce₃ عند 400 درجة هو مجرد 1.6 نانومتر³/ثانية- أقل بكثير من مثيله في مرحلة Al₂Cu في سبائك Al- Cu التقليدية عند نفس درجة الحرارة (حوالي 100 نانومتر³/ثانية)؛ يتيح هذا الاستقرار الفائق في درجة الحرارة-للأولى العمل بشكل مستمر كحاجز فعال أمام حركة الخلع. ثالثًا، يمنع تنظيم المقياس الذري التخشين عن طريق إدخال عناصر منفصلة في الواجهات بين مراحل التقوية والمصفوفة. أثبتت الدراسات أن عناصر مثل Sc وZr وSi وMn- التي تنفصل عند θ′-Al₂Cu/ -Al Interface-يمكن أن تقلل طاقة الواجهة البينية وتعيق الانتشار الذري، وبالتالي توسيع نطاق درجة حرارة الخدمة لسبائك سلسلة 2xxx- من الحد التقليدي البالغ 200 درجة إلى ما بين 250 درجة و 300 درجة . اتخذت دراسة منشورة في *Nature Communications*-بقيادة الأكاديمي لو جيان من جامعة سيتي في هونغ كونغ بالتعاون مع مؤسسات متعددة-خطوة مهمة إلى الأمام من خلال استخدام عناصر الشوائب الشائعة الموجودة في سبائك الألومنيوم (Si، وFe، وMn، وNi) لإنتاج مادة مقاومة للحرارة-. سبيكة Al-7.44Si-2.34Fe-1.79Mn-1.12Ni لا تحتوي على معادن ثمينة ولا عناصر أرضية نادرة. في ظل ظروف التصلب السريع، تخضع هذه السبيكة إلى-فصل غير متوازن، مما يؤدي إلى تضمين الحرارة-مقاومة متعددة-للرواسب النانوية بين المعادن-التي تشغل جزءًا حجميًا يصل إلى 14%-عند حدود خلايا التصلب، وبالتالي تشكل بنية مجهرية خلوية مستقرة حراريًا. دون الحاجة إلى أي معالجة لاحقة، تظهر السبيكة قوة شد في درجة حرارة الغرفة تبلغ 582 ميجا باسكال، مع قوة تبلغ 263 ميجا باسكال و114 ميجا باسكال عند 300 درجة و400 درجة، على التوالي. علاوة على ذلك، كشفت الدراسة -لأول مرة في سبائك الألومنيوم- عن آلية تقوية مدفوعة بتحول الحالة الصلبة-: أثناء التشوه في درجة الحرارة العالية-، يخضع جزء من الرواسب النانوية بين الفلزات لتحول غير متبلور للحالة الصلبة، مما يؤدي في النهاية إلى تشكيل "جسيم غير متبلور + نانوي (مرحلة L1₂-(Ni,Fe)₃Al)" هيكل ثنائي الطور نانوي يوفر مسارًا إضافيًا لتبديد الطاقة لانتشار الكراك في درجات الحرارة العالية.
