01 Desafíos de la era - Debido a su baja densidad, alta resistencia específica y excelente resistencia a la corrosión, las aleaciones de aluminio se han convertido en materiales estructurales indispensables en los sectores aeroespacial, automotriz y de equipos energéticos. Sin embargo, a medida que aumenta la demanda de la industria moderna de geometrías complejas y alto-rendimiento, componentes livianos, los métodos tradicionales de fundición y mecanizado enfrentan limitaciones fundamentales en la fabricación de piezas que presentan canales internos intrincados, estructuras reticulares y características de paredes delgadas-. Las tecnologías de fabricación aditiva-específicamente la fusión de lecho de polvo por láser (LPBF) y la deposición de energía dirigida por láser (LDED)-ofrecen vías revolucionarias para superar estos cuellos de botella en la fabricación. La tecnología LPBF emplea un rayo láser de alta-energía para fundir selectivamente capas de polvo pre-depositadas, creando componentes complejos con densidades superiores al 99,5 % capa por capa; con velocidades de enfriamiento típicas que alcanzan el orden de 10⁶ K/s, puede producir soluciones sólidas sobresaturadas y microestructuras de grano ultrafino-muy alejadas de los estados de solidificación de equilibrio. Mientras tanto, la tecnología LDED, que utiliza alimentación de polvo sincrónica y fusión por láser, demuestra ventajas únicas en la reparación de piezas dañadas y en la fabricación de componentes estructurales a gran escala-, así como materiales de composición clasificada. Sin embargo, las aleaciones de aluminio enfrentan una serie de desafíos físicos-metalúrgicos intrínsecos durante la fabricación aditiva por láser. A temperatura ambiente, las aleaciones de aluminio exhiben una reflectividad superior al 90 % para los láseres de infrarrojo cercano-(longitud de onda: 1070 nm), lo que da como resultado una eficiencia de acoplamiento de energía extremadamente baja y requiere láseres de alta.potencia-para establecer un baño de fusión estable. Las superficies de aleación de aluminio forman fácilmente una película densa de óxido (Al₂O₃) con un punto de fusión de 2072 grados -significativamente mayor que el punto de fusión de 660 grados de la matriz de aluminio; Los fragmentos de esta película de óxido a menudo no se funden por completo dentro del baño de fusión, lo que con frecuencia sirve como sitio de iniciación de grietas y falta-de-defectos de fusión. Aún más crítico, la solubilidad del hidrógeno en aluminio líquido (aproximadamente . 0.7 cm³/100 g) es mucho mayor que en el aluminio sólido (aproximadamente . 0.04 cm³/100 g); Durante la solidificación rápida, los átomos de hidrógeno sobresaturados no pueden difundirse en el tiempo y, en cambio, se acumulan en la interfaz sólido-líquido para formar núcleos de burbujas, dejando en última instancia poros metalúrgicos que varían de unas pocas a varias decenas de micrómetros de diámetro dentro de la microestructura solidificada. Mientras tanto, el amplio rango de temperatura de solidificación (por ejemplo, superior a 150 grados para Al7075) y la importante contracción por solidificación (aproximadamente 6%) de las aleaciones de aluminio las hacen altamente susceptibles a la porosidad por contracción por solidificación y al agrietamiento en caliente una vez que los canales de alimentación se cierran durante las etapas finales de solidificación del baño de fusión; Estos problemas representan desafíos centrales en el procesamiento LPBF de aleaciones de aluminio de las series 2xxx y 7xxx de alta resistencia. Las características extremas de ciclos térmicos inherentes a la fabricación aditiva por láser-que implican temperaturas localizadas del baño de fusión que superan los 2000 grados junto con temperaturas circundantes del polvo y del sustrato que van desde la temperatura ambiente hasta los 200 grados, lo que da como resultado gradientes de temperatura de hasta 10⁶ K/m-generan complejos campos de tensión térmica dentro del componente; Si no se controlan, estas tensiones pueden provocar deformaciones, deformaciones o incluso grietas entre las capas.
02 Diseño de composición - A nivel de diseño de composición, los sistemas de aleaciones utilizados tradicionalmente para fundición y forja a menudo no son adecuados para la fabricación aditiva. Tomando como ejemplo la aleación AlSi10Mg, su composición casi-eutéctica imparte una excelente fluidez durante la fundición; sin embargo, bajo las rápidas condiciones de solidificación del LPBF, la red de fase de silicio eutéctico grueso actúa como una fuente de concentración de tensiones. Además, la resistencia a la tracción de la aleación a 300 grados cae en picado a aproximadamente el 10 % de su resistencia a temperatura ambiente-a temperatura ambiente-un fenómeno atribuido al rápido engrosamiento y disolución de la microestructura eutéctica a altas temperaturas. En consecuencia, el desarrollo de sistemas especializados de composición de aleaciones de aluminio adaptados a las características de la fabricación aditiva se ha convertido en un foco de investigación clave en este campo.
Una investigación realizada por el Instituto de Tecnología Inteligente y Ecológica de Chongqing de la Academia de Ciencias de China revela que agregar trazas de Sc (0,2–0,4 % en peso) y Zr (0,1–0,3 % en peso) a aleaciones de Al-Mg permite la formación *in situ* de fases primarias de Al₃(Sc,Zr) a nanoescala con una estructura ordenada L1₂ durante el rápido proceso de solidificación de Laser Powder Bed Fusion (LPBF). Estas fases exhiben un desajuste de red extremadamente bajo (aproximadamente 1,3 %) con la matriz de -Al y sirven como sitios de nucleación heterogéneos altamente eficientes, refinando tamaños de grano desde decenas de micrómetros hasta la escala sub-micrométrica. El estudio indica que la aleación-Al-Mg-Mn-Sc-Zr construida muestra una estructura de grano bimodal característica: una región de granos finos equiaxiales (tamaño promedio ~1,04 μm) en los bordes del baño de fusión, y una región de granos columnares (tamaño promedio ~2,11 μm) que crecen a lo largo de la dirección de construcción en el centro del baño de fusión. Esta estructura de grano heterogénea surge de variaciones espaciales en los gradientes de temperatura y las densidades de nucleación dentro del baño de fusión; los bordes presentan altos gradientes de temperatura y un enriquecimiento de fases primarias de Al₃ (Sc, Zr), que promueven la nucleación heterogénea, mientras que el centro se caracteriza por un gradiente de temperatura fuertemente direccional que favorece el crecimiento de cristales epitaxiales a lo largo de la dirección de máxima disipación de calor. En particular, mientras que el Sc es caro (aproximadamente 3.000 dólares/kg), el Zr es relativamente económico (aproximadamente 30 dólares/kg); la adición combinada de estos elementos crea una estructura de núcleo Al₃Sc-/al₃Zr-que no solo mejora significativamente la estabilidad térmica de las fases de refuerzo sino que también reduce eficazmente los costos de la aleación. Mientras tanto, un equipo de la Universidad Jiao Tong de Shanghai ha propuesto una estrategia de diseño innovadora basada en un nanoandamio eutéctico deformable-transformable. Seleccionaron un sistema casi-eutéctico Al-Er (12,7% en peso de Er) como aleación modelo, utilizando la formación de la fase Al₃Er estructurada L1₂--que exhibe un desajuste de red de solo 3,96% con -Al, junto con abundantes sistemas de deslizamiento y alta capacidad de macla. Durante el proceso de impresión LPBF, Al₃Er precipita con una fracción de volumen de aproximadamente el 10,3 % en forma de un nano-esqueleto 3D continuo; este esqueleto no solo resiste altas tensiones que superan los 1300 MPa, sino que también facilita el alojamiento plástico durante la deformación mediante la formación de gemelos de deformación y estructuras ordenadas de apilamiento de período largo-9R, lo que anula fundamentalmente la visión convencional de que los esqueletos eutécticos son inherentemente frágiles. La aleación de Al-impresa Al-Er-Mg (RAE700) exhibe un límite elástico de 632 MPa, que aumenta a 707 MPa después del envejecimiento directo mientras mantiene un alargamiento del 7 al 10%, lo que resulta en un perfil de rendimiento integral que supera todas las aleaciones de aluminio impresas en 3D-anteriormente reportadas. Además, un equipo de investigación de la Universidad de Nagoya desarrolló una serie de aleaciones de Al-Fe-Mn-Ti basada en una estrategia de "control de partición de elementos"; al agregar Cu y Mn para estabilizar la fase Al₆Fe y transformarla en una fase de fortalecimiento beneficiosa-mientras se introduce Ti, que se divide en la fase sólida para refinar los granos a aproximadamente 2,3 μm-la aleación logra una resistencia a la tracción a temperatura ambiente-de 390 MPa y un alargamiento del 14 al 17 %, con propiedades que permanecen prácticamente sin cambios después de 100 horas de exposición térmica a 300 grados.
