एल्यूमिनियम मिश्र धातु के लेजर एडिटिव विनिर्माण में प्रमुख मुद्दों पर अनुसंधान

01 युग की चुनौतियाँ - अपने कम घनत्व, उच्च विशिष्ट शक्ति और उत्कृष्ट संक्षारण प्रतिरोध के कारण, एल्यूमीनियम मिश्र धातुएं एयरोस्पेस, ऑटोमोटिव और ऊर्जा उपकरण क्षेत्रों में अपरिहार्य संरचनात्मक सामग्री बन गई हैं। हालाँकि, जैसे-जैसे आधुनिक उद्योग में जटिल ज्यामिति और उच्च प्रदर्शन की मांग बढ़ रही है, हल्के घटकों में वृद्धि हो रही है, पारंपरिक कास्टिंग और मशीनिंग विधियों को जटिल आंतरिक चैनलों, जाली संरचनाओं और पतली दीवार वाली विशेषताओं वाले भागों के निर्माण में मूलभूत सीमाओं का सामना करना पड़ता है। एडिटिव विनिर्माण प्रौद्योगिकियां विशेष रूप से लेजर पाउडर बेड फ्यूजन (एलपीबीएफ) और लेजर डायरेक्टेड एनर्जी डिपोजिशन (एलडीईडी) इन विनिर्माण बाधाओं को दूर करने के लिए क्रांतिकारी मार्ग प्रदान करती हैं। एलपीबीएफ तकनीक पूर्व जमा पाउडर परतों को चुनिंदा रूप से पिघलाने के लिए एक उच्च {9} ऊर्जा लेजर बीम का उपयोग करती है, जिससे परत दर परत 99.5% से अधिक घनत्व वाले जटिल घटकों का निर्माण होता है; 10⁶ K/s के क्रम तक पहुंचने वाली विशिष्ट शीतलन दर के साथ, यह सुपरसैचुरेटेड ठोस समाधान और अल्ट्राफाइन -दानेदार सूक्ष्म संरचनाओं का उत्पादन कर सकता है जो संतुलन ठोसकरण अवस्था से बहुत दूर हैं। इस बीच, एलडीईडी तकनीक, सिंक्रोनस पाउडर फीडिंग और लेजर मेल्टिंग का उपयोग करते हुए, क्षतिग्रस्त हिस्सों की मरम्मत और बड़े पैमाने पर संरचनात्मक घटकों के साथ-साथ संरचनागत रूप से वर्गीकृत सामग्रियों के निर्माण में अद्वितीय लाभ प्रदर्शित करती है। फिर भी, एल्युमीनियम मिश्रधातुओं को लेज़र एडिटिव विनिर्माण के दौरान आंतरिक भौतिक -धातु संबंधी चुनौतियों की एक श्रृंखला का सामना करना पड़ता है। कमरे के तापमान पर, एल्युमीनियम मिश्रधातु निकट अवरक्त लेजर (तरंग दैर्ध्य: 1070 एनएम) के लिए 90% से अधिक की परावर्तनशीलता प्रदर्शित करते हैं, जिसके परिणामस्वरूप ऊर्जा युग्मन दक्षता बेहद कम हो जाती है और एक स्थिर पिघला हुआ पूल स्थापित करने के लिए उच्च-शक्ति-घनत्व वाले लेजर की आवश्यकता होती है। एल्युमीनियम मिश्र धातु की सतहें आसानी से एक सघन ऑक्साइड फिल्म (Al₂O₃) बनाती हैं, जिसका गलनांक 2072 डिग्री - होता है, जो एल्युमीनियम मैट्रिक्स के 660 डिग्री गलनांक से काफी अधिक होता है; इस ऑक्साइड फिल्म के टुकड़े अक्सर पिघले हुए पूल के भीतर पूरी तरह से पिघलने में विफल होते हैं, जो अक्सर दरारों और संलयन दोषों की कमी के लिए शुरुआत स्थल के रूप में काम करते हैं। इससे भी अधिक गंभीर बात यह है कि तरल एल्युमीनियम (लगभग {{31%) सेमी³/100 ग्राम) में हाइड्रोजन की घुलनशीलता ठोस एल्युमीनियम (लगभग {{33%) सेमी³/100 ग्राम) की तुलना में कहीं अधिक है; तेजी से जमने के दौरान, सुपरसैचुरेटेड हाइड्रोजन परमाणु समय पर फैल नहीं सकते हैं और इसके बजाय बुलबुला नाभिक बनाने के लिए ठोस तरल इंटरफ़ेस पर जमा होते हैं, अंततः ठोस सूक्ष्म संरचना के भीतर कुछ से लेकर कई दसियों माइक्रोमीटर व्यास वाले धातु छिद्रों को पीछे छोड़ देते हैं। इस बीच, व्यापक जमने की तापमान सीमा (उदाहरण के लिए, Al7075 के लिए 150 डिग्री से अधिक) और एल्यूमीनियम मिश्र धातुओं की महत्वपूर्ण जमने की सिकुड़न (लगभग 6%) उन्हें पिघले हुए पूल के जमने के अंतिम चरण के दौरान फीडिंग चैनल बंद होने के बाद जमने की सिकुड़न सरंध्रता और गर्म क्रैकिंग के प्रति अत्यधिक संवेदनशील बनाती है; ये मुद्दे उच्च शक्ति 2xxx और 7xxx श्रृंखला एल्यूमीनियम मिश्र धातुओं के एलपीबीएफ प्रसंस्करण में मुख्य चुनौतियों का प्रतिनिधित्व करते हैं। लेजर एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग में निहित अत्यधिक थर्मल साइक्लिंग विशेषताएँ {{46}जिसमें 2000 डिग्री से अधिक स्थानीय पिघला हुआ पूल तापमान और आसपास के पाउडर और कमरे के तापमान से 200 डिग्री तक के सब्सट्रेट तापमान शामिल होते हैं, जिसके परिणामस्वरूप तापमान में 10⁶ K/m तक का उतार-चढ़ाव होता है-घटक के भीतर जटिल थर्मल तनाव क्षेत्र उत्पन्न करते हैं; यदि अनियंत्रित छोड़ दिया जाए, तो ये तनाव विकृति, विरूपण, या यहां तक ​​कि इंटरलेयर क्रैकिंग का कारण बन सकते हैं।

02 कंपोजीशन डिज़ाइन - कंपोजीशन डिज़ाइन के स्तर पर, पारंपरिक रूप से कास्टिंग और फोर्जिंग के लिए उपयोग की जाने वाली मिश्र धातु प्रणालियाँ अक्सर एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग के लिए अनुपयुक्त होती हैं। उदाहरण के तौर पर AlSi10Mg मिश्रधातु को लेते हुए, इसकी लगभग {{4}यूटेक्टिक संरचना ढलाई के दौरान उत्कृष्ट तरलता प्रदान करती है; हालाँकि, एलपीबीएफ की तेजी से जमने की स्थिति के तहत, मोटे यूटेक्टिक सिलिकॉन चरण नेटवर्क तनाव एकाग्रता के स्रोत के रूप में कार्य करता है। इसके अलावा, 300 डिग्री पर मिश्र धातु की तन्यता ताकत उसके कमरे के तापमान की ताकत का लगभग 10% कम हो जाती है {{8}तापमान की ताकत {{9}एक ऐसी घटना जो उच्च तापमान पर यूटेक्टिक माइक्रोस्ट्रक्चर के तेजी से मोटे होने और विघटन के लिए जिम्मेदार है। नतीजतन, एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग की विशेषताओं के अनुरूप विशेष एल्यूमीनियम मिश्र धातु संरचना प्रणालियों का विकास करना क्षेत्र में एक प्रमुख अनुसंधान फोकस बन गया है।

चोंगकिंग इंस्टीट्यूट ऑफ ग्रीन एंड इंटेलिजेंट टेक्नोलॉजी, चाइनीज एकेडमी ऑफ साइंसेज के शोध से पता चलता है कि Al{4}}Mg मिश्रधातु में Sc (0.2–0.4 wt%) और Zr (0.1–0.3 wt%) की ट्रेस मात्रा जोड़ने से लेजर पाउडर बेड फ्यूजन (LPBF) की तेजी से जमने की प्रक्रिया के दौरान L1₂ आदेशित संरचना के साथ नैनोस्केल प्राथमिक Al₃(Sc,Zr) चरणों के *इन-सीटू* गठन में सक्षम बनाता है। ये चरण -अल मैट्रिक्स के साथ बेहद कम जाली बेमेल (लगभग 1.3%) प्रदर्शित करते हैं और अत्यधिक कुशल विषम न्यूक्लियेशन साइटों के रूप में कार्य करते हैं, जो दसियों माइक्रोमीटर से लेकर उप{9}}माइक्रोमीटर पैमाने तक अनाज के आकार को परिष्कृत करते हैं। अध्ययन से संकेत मिलता है कि निर्मित अल {{12}एमजी {{13}एमएन {{14}एससी - जेडआर मिश्र धातु एक विशिष्ट द्विमोडल अनाज संरचना प्रदर्शित करता है: पिघले हुए पूल किनारों पर बारीक समबाहु अनाज (औसत आकार ~ 1.04 माइक्रोमीटर) का एक क्षेत्र, और पिघले हुए पूल केंद्र में निर्माण दिशा के साथ बढ़ने वाले स्तंभ अनाज (औसत आकार ~2.11 माइक्रोमीटर) का एक क्षेत्र। यह विषमांगी अनाज संरचना पिघले पूल के भीतर तापमान प्रवणता और न्यूक्लियेशन घनत्व में स्थानिक भिन्नता से उत्पन्न होती है; किनारों में उच्च तापमान प्रवणता और प्राथमिक Al₃(Sc,Zr) चरणों का संवर्धन होता है, जो विषम न्यूक्लियेशन को बढ़ावा देता है, जबकि केंद्र को एक दृढ़ता से दिशात्मक तापमान प्रवणता की विशेषता होती है जो अधिकतम गर्मी अपव्यय की दिशा में एपिटैक्सियल क्रिस्टल विकास का पक्ष लेती है। उल्लेखनीय रूप से, जबकि Sc महंगा है (लगभग $3,000/किग्रा), Zr अपेक्षाकृत सस्ता है (लगभग $30/किग्रा); इन तत्वों के संयुक्त संयोजन से एक Al₃Sc-core/Al₃Zr-शेल संरचना बनती है जो न केवल मजबूत करने वाले चरणों की थर्मल स्थिरता को महत्वपूर्ण रूप से बढ़ाती है बल्कि मिश्र धातु की लागत को भी प्रभावी ढंग से कम करती है। इस बीच, शंघाई जिओ टोंग विश्वविद्यालय की एक टीम ने एक विकृत {{28}परिवर्तनीय यूटेक्टिक नैनोस्कैफोल्ड पर आधारित एक अभिनव डिजाइन रणनीति का प्रस्ताव दिया है। उन्होंने मॉडल मिश्र धातु के रूप में एक निकट {{30}यूटेक्टिक अल {{31} एर सिस्टम (12.7 डब्ल्यूटी% एर) का चयन किया, जिसमें एल 1₂ {{34} संरचित एएल एर चरण {{35} के निर्माण का उपयोग किया गया, जो प्रचुर मात्रा में स्लिप सिस्टम और उच्च ट्विनिंग क्षमता के साथ-साथ {{37} एएल के साथ केवल 3.96% का जाली बेमेल प्रदर्शित करता है। एलपीबीएफ मुद्रण प्रक्रिया के दौरान, Al₃Er एक सतत 3D नैनो-कंकाल के रूप में लगभग 10.3% के आयतन अंश के साथ अवक्षेपित होता है; यह कंकाल न केवल 1300 एमपीए से अधिक उच्च तनाव का सामना करता है, बल्कि विरूपण जुड़वाँ और 9आर लंबी अवधि के स्टैकिंग आदेशित संरचनाओं के माध्यम से विरूपण के दौरान प्लास्टिक आवास की सुविधा भी प्रदान करता है, जिससे मौलिक रूप से पारंपरिक दृष्टिकोण पलट जाता है कि यूटेक्टिक कंकाल स्वाभाविक रूप से भंगुर होते हैं। As{46}}मुद्रित Al-Er-Mg मिश्र धातु (RAE700) 632 MPa की उपज शक्ति प्रदर्शित करता है, जो 7-10% की वृद्धि को बनाए रखते हुए सीधे उम्र बढ़ने के बाद 707 MPa तक बढ़ जाती है, जिसके परिणामस्वरूप एक व्यापक प्रदर्शन प्रोफ़ाइल प्राप्त होती है जो पहले बताए गए सभी 3D मुद्रित एल्यूमीनियम मिश्र धातुओं से आगे निकल जाती है। इसके अतिरिक्त, नागोया विश्वविद्यालय की एक शोध टीम ने "तत्व विभाजन नियंत्रण" रणनीति के आधार पर एक अल -Fe-Mn{59}}Ti मिश्र धातु श्रृंखला विकसित की; Al₆Fe चरण को स्थिर करने और इसे एक लाभकारी सुदृढ़ीकरण चरण में बदलने के लिए Cu और Mn को जोड़कर, साथ ही साथ Ti को पेश करते हुए, जो अनाज को लगभग 2.3 μm तक परिष्कृत करने के लिए ठोस चरण में विभाजन करता है, मिश्र धातु 390 MPa की एक कमरा तापमान तन्य शक्ति और 14-17% की बढ़ाव प्राप्त करती है, जिसमें 300 पर 100 घंटे के थर्मल एक्सपोजर के बाद गुण लगभग अपरिवर्तित रहते हैं। डिग्री.