01 Desafios da Era - Devido à sua baixa densidade, alta resistência específica e excelente resistência à corrosão, as ligas de alumínio tornaram-se materiais estruturais indispensáveis nos setores aeroespacial, automotivo e de equipamentos de energia. No entanto, à medida que a demanda da indústria moderna por geometrias complexas e alto{3}}desempenho e componentes leves aumenta, os métodos tradicionais de fundição e usinagem enfrentam limitações fundamentais na fabricação de peças com canais internos intrincados, estruturas de treliça e recursos de paredes-finas. As tecnologias de fabricação aditiva-especificamente Laser Powder Bed Fusion (LPBF) e Laser Directed Energy Deposition (LDED)-oferecem caminhos revolucionários para superar esses gargalos de fabricação. A tecnologia LPBF emprega um feixe de laser de alta-energia para derreter seletivamente camadas de pó pré{10}depositadas, construindo componentes complexos com densidades superiores a 99,5% camada por camada; com taxas de resfriamento típicas atingindo a ordem de 10⁶ K/s, ele pode produzir soluções sólidas supersaturadas e microestruturas de granulação ultrafina-muito distantes dos estados de solidificação de equilíbrio. Enquanto isso, a tecnologia LDED, que utiliza alimentação síncrona de pó e fusão a laser, demonstra vantagens exclusivas no reparo de peças danificadas e na fabricação de componentes estruturais em grande-escala, bem como de materiais com composição graduada. No entanto, as ligas de alumínio enfrentam uma série de desafios físicos-metalúrgicos intrínsecos durante a fabricação aditiva a laser. À temperatura ambiente, as ligas de alumínio exibem uma refletividade superior a 90% para lasers infravermelhos próximos (comprimento de onda: 1.070 nm), resultando em eficiência de acoplamento de energia extremamente baixa e necessitando de lasers de alta densidade de -potência-para estabelecer uma poça de fusão estável. As superfícies da liga de alumínio formam prontamente uma película densa de óxido (Al₂O₃) com um ponto de fusão de 2.072 graus -significativamente superior ao ponto de fusão de 660 graus da matriz de alumínio; fragmentos desse filme de óxido muitas vezes não conseguem derreter completamente dentro da poça de fusão, servindo frequentemente como locais de iniciação para rachaduras e falta de-de-defeitos de fusão. Ainda mais crítico, a solubilidade do hidrogênio no alumínio líquido (aproximadamente . 0.7 cm³/100g) é muito maior do que no alumínio sólido (aproximadamente. 0.04 cm³/100g); durante a solidificação rápida, os átomos de hidrogênio supersaturados não podem se difundir no tempo e, em vez disso, acumulam-se na interface sólido-líquido para formar núcleos de bolhas, deixando para trás poros metalúrgicos que variam de algumas a várias dezenas de micrômetros de diâmetro dentro da microestrutura solidificada. Enquanto isso, a ampla faixa de temperatura de solidificação (por exemplo, excedendo 150 graus para Al7075) e a significativa contração de solidificação (aproximadamente 6%) das ligas de alumínio as tornam altamente suscetíveis à porosidade de contração de solidificação e rachaduras a quente, uma vez que os canais de alimentação se fecham durante os estágios finais da solidificação da poça de fusão; essas questões representam desafios centrais no processamento LPBF de ligas de alumínio de alta-resistência das séries 2xxx e 7xxx. As características extremas do ciclo térmico inerentes à fabricação aditiva a laser-envolvem temperaturas localizadas da poça de fusão superiores a 2.000 graus juntamente com temperaturas circundantes do pó e do substrato que variam da temperatura ambiente a 200 graus, resultando em gradientes de temperatura de até 10⁶ K/m-geram campos de tensão térmica complexos dentro do componente; se não forem controladas, essas tensões podem levar a empenamentos, deformações ou até mesmo fissuras intercamadas.
02 Projeto de composição - No nível do projeto de composição, os sistemas de liga tradicionalmente usados para fundição e forjamento são frequentemente inadequados para fabricação aditiva. Tomando como exemplo a liga AlSi10Mg, sua composição quase{4}}eutética confere excelente fluidez durante a fundição; entretanto, sob as condições de rápida solidificação do LPBF, a rede eutética grosseira de fase de silício atua como uma fonte de concentração de tensão. Além disso, a resistência à tração da liga a 300 graus cai para aproximadamente 10% de sua-resistência à temperatura ambiente-um fenômeno atribuído ao rápido engrossamento e dissolução da microestrutura eutética em altas temperaturas. Consequentemente, o desenvolvimento de sistemas especializados de composição de ligas de alumínio adaptados às características da fabricação aditiva tornou-se um foco importante de pesquisa na área.
Uma pesquisa do Instituto de Tecnologia Verde e Inteligente de Chongqing, Academia Chinesa de Ciências, revela que a adição de vestígios de Sc (0,2–0,4% em peso) e Zr (0,1–0,3% em peso) às ligas de Al-Mg permite a formação *in situ* de fases primárias de Al₃(Sc,Zr) em nanoescala com uma estrutura ordenada L1₂ durante o rápido processo de solidificação da Laser Powder Bed Fusion (LPBF). Essas fases exibem incompatibilidade de rede extremamente baixa (aproximadamente 1,3%) com a matriz -Al e servem como locais de nucleação heterogênea altamente eficientes, refinando tamanhos de grãos de dezenas de micrômetros até a escala sub-micrométrica. O estudo indica que a liga Al-Mg-Mn-Sc-Zr como construída exibe uma estrutura de grão bimodal característica: uma região de grãos equiaxiais finos (tamanho médio ~ 1,04 μm) nas bordas da poça de fusão e uma região de grãos colunares (tamanho médio ~ 2,11 μm) crescendo ao longo da direção de construção no centro da poça de fusão. Esta estrutura heterogênea de grãos surge de variações espaciais nos gradientes de temperatura e nas densidades de nucleação dentro da poça de fusão; as bordas apresentam gradientes de alta temperatura e um enriquecimento de fases primárias de Al₃ (Sc, Zr), que promovem nucleação heterogênea, enquanto o centro é caracterizado por um gradiente de temperatura fortemente direcional que favorece o crescimento de cristais epitaxiais ao longo da direção de dissipação máxima de calor. Notavelmente, enquanto o Sc é caro (aproximadamente US$ 3.000/kg), o Zr é relativamente barato (aproximadamente US$ 30/kg); a adição combinada desses elementos cria uma estrutura de revestimento Al₃Sc-núcleo/Al₃Zr-que não apenas aumenta significativamente a estabilidade térmica das fases de reforço, mas também reduz efetivamente os custos da liga. Enquanto isso, uma equipe da Universidade Jiao Tong de Xangai propôs uma estratégia de design inovadora baseada em um nanoandaime eutético deformável-transformável. Eles selecionaram um sistema Al-Er quase{30}eutético (12,7% em peso de Er) como liga modelo, utilizando a formação da fase Al₃Er estruturada L1₂--que exibe uma incompatibilidade de rede de apenas 3,96% com -Al, juntamente com sistemas de deslizamento abundantes e alta capacidade de geminação. Durante o processo de impressão LPBF, Al₃Er precipita com uma fração de volume de aproximadamente 10,3% na forma de um nano{41}}esqueleto 3D contínuo; este esqueleto não apenas suporta altas tensões superiores a 1300 MPa, mas também facilita a acomodação plástica durante a deformação por meio da formação de gêmeos de deformação e estruturas ordenadas de empilhamento de longo período 9R, derrubando fundamentalmente a visão convencional de que esqueletos eutéticos são inerentemente frágeis. A liga de Al-Er{48}}Mg (RAE700) impressa exibe um limite de escoamento de 632 MPa, que aumenta para 707 MPa após o envelhecimento direto, mantendo um alongamento de 7 a 10%, resultando em um perfil de desempenho abrangente que supera todas as ligas de alumínio impressas-em 3D relatadas anteriormente. Além disso, uma equipe de pesquisa da Universidade de Nagoya desenvolveu uma série de ligas Al-Fe-Mn-Ti com base em uma estratégia de "controle de particionamento de elementos"; adicionando Cu e Mn para estabilizar a fase Al₆Fe e transformá-la em uma fase de fortalecimento benéfica-ao mesmo tempo em que introduz Ti que se divide na fase sólida para refinar grãos para aproximadamente 2,3 μm-a liga atinge uma resistência à tração à temperatura ambiente-de 390 MPa e um alongamento de 14–17%, com propriedades permanecendo praticamente inalteradas após 100 horas de exposição térmica a 300 graus .
