01 Tantangan Era - Karena kepadatannya yang rendah, kekuatan spesifik yang tinggi, dan ketahanan terhadap korosi yang sangat baik, paduan aluminium telah menjadi bahan struktural yang sangat diperlukan di sektor peralatan ruang angkasa, otomotif, dan energi. Namun, seiring dengan melonjaknya permintaan industri modern akan geometri yang kompleks dan-performa tinggi, komponen ringan, metode pengecoran dan pemesinan tradisional menghadapi keterbatasan mendasar dalam pembuatan komponen yang memiliki saluran internal yang rumit, struktur kisi, dan fitur-berdinding tipis. Teknologi manufaktur aditif-khususnya Laser Powder Bed Fusion (LPBF) dan Laser Directed Energy Deposition (LDED)-menawarkan jalur revolusioner untuk mengatasi hambatan produksi ini. Teknologi LPBF menggunakan-sinar laser berenergi tinggi untuk secara selektif melelehkan-lapisan bubuk yang telah diendapkan sebelumnya, membangun komponen kompleks dengan kepadatan melebihi 99,5% lapis demi lapis; dengan laju pendinginan tipikal yang mencapai 10⁶ K/s, hal ini dapat menghasilkan larutan padat lewat jenuh dan struktur mikro berbutir ultrahalus yang jauh dari kondisi solidifikasi kesetimbangan. Sementara itu, teknologi LDED, yang memanfaatkan pengumpanan bubuk sinkron dan peleburan laser, menunjukkan keunggulan unik dalam memperbaiki komponen yang rusak dan memproduksi komponen struktur berskala besar serta material dengan gradasi komposisi. Namun demikian, paduan aluminium menghadapi serangkaian tantangan fisik-metalurgi intrinsik selama pembuatan aditif laser. Pada suhu kamar, paduan aluminium menunjukkan reflektifitas melebihi 90% untuk laser inframerah dekat (panjang gelombang: 1070 nm), sehingga menghasilkan efisiensi penggabungan energi yang sangat rendah dan memerlukan laser dengan kepadatan{22}}daya{23}}tinggi untuk membentuk kumpulan lelehan yang stabil. Permukaan paduan aluminium mudah membentuk lapisan oksida padat (Al₂O₃) dengan titik leleh 2072 derajat -jauh lebih tinggi daripada titik leleh matriks aluminium 660 derajat; fragmen lapisan oksida ini sering kali gagal meleleh sepenuhnya di dalam kumpulan lelehan, sering kali berfungsi sebagai tempat timbulnya retakan dan{28}}kurangnya{29}}cacat fusi. Yang lebih penting lagi, kelarutan hidrogen dalam aluminium cair (kira-kira. 0.7 cm³/100g) jauh lebih tinggi dibandingkan aluminium padat (kira-kira. 0.04 cm³/100g); selama pemadatan yang cepat, atom hidrogen lewat jenuh tidak dapat berdifusi keluar dalam waktu dan malah terakumulasi pada antarmuka padat-cair untuk membentuk inti gelembung, yang pada akhirnya meninggalkan pori-pori metalurgi dengan diameter beberapa hingga beberapa puluh mikrometer di dalam struktur mikro yang dipadatkan. Sementara itu, kisaran suhu pemadatan yang luas (misalnya, melebihi 150 derajat untuk Al7075) dan penyusutan pemadatan yang signifikan (sekitar 6%) dari paduan aluminium membuatnya sangat rentan terhadap porositas penyusutan pemadatan dan keretakan panas setelah saluran pengumpanan ditutup selama tahap akhir pemadatan kumpulan lelehan; masalah ini mewakili tantangan utama dalam pemrosesan LPBF pada paduan aluminium seri 2xxx dan 7xxx berkekuatan tinggi. Karakteristik siklus termal ekstrem yang melekat pada manufaktur aditif laser-melibatkan suhu kumpulan lelehan lokal yang melebihi 2000 derajat bersama dengan suhu bubuk dan substrat di sekitarnya yang berkisar dari suhu kamar hingga 200 derajat , sehingga menghasilkan gradien suhu setinggi 10⁶ K/m-menghasilkan medan tegangan termal yang kompleks di dalam komponen; jika dibiarkan tidak terkendali, tekanan ini dapat menyebabkan lengkungan, deformasi, atau bahkan retak antarlapisan.
02 Desain Komposisi - Pada tingkat desain komposisi, sistem paduan yang secara tradisional digunakan untuk pengecoran dan penempaan seringkali tidak cocok untuk pembuatan aditif. Dengan mengambil paduan AlSi10Mg sebagai contoh, komposisinya yang mendekati-eutektik memberikan fluiditas yang sangat baik selama pengecoran; namun, di bawah kondisi pemadatan LPBF yang cepat, jaringan fase silikon eutektik kasar bertindak sebagai sumber konsentrasi tegangan. Selain itu, kekuatan tarik paduan pada suhu 300 derajat merosot hingga sekitar 10%-kekuatan suhu-ruangannya, sebuah fenomena yang disebabkan oleh pengerasan dan pelarutan struktur mikro eutektik yang cepat pada suhu tinggi. Akibatnya, pengembangan sistem komposisi paduan aluminium khusus yang disesuaikan dengan karakteristik manufaktur aditif telah menjadi fokus penelitian utama di lapangan.
Penelitian yang dilakukan oleh Chongqing Institute of Green and Intelligent Technology, Chinese Academy of Sciences, mengungkapkan bahwa penambahan sejumlah kecil Sc (0,2–0,4% berat) dan Zr (0,1–0,3% berat) ke paduan Al-Mg memungkinkan pembentukan fase Al₃(Sc,Zr) primer berskala nano *in situ* dengan struktur terurut L1₂ selama proses pemadatan cepat Laser Powder Bed Fusion (LPBF). Fase-fase ini menunjukkan ketidakcocokan kisi yang sangat rendah (sekitar 1,3%) dengan matriks -Al dan berfungsi sebagai situs nukleasi heterogen yang sangat efisien, menyempurnakan ukuran butir dari puluhan mikrometer hingga skala sub-mikrometer. Studi ini menunjukkan bahwa paduan Al-Mg-Mn-Sc-Zr yang dibuat menampilkan struktur butiran bimodal yang khas: wilayah butiran halus yang sama sumbunya (ukuran rata-rata ~1,04 μm) di tepi kumpulan lelehan, dan wilayah butiran berbentuk kolom (ukuran rata-rata ~2,11 μm) yang tumbuh di sepanjang arah pembangunan di pusat kumpulan lelehan. Struktur butir heterogen ini muncul dari variasi spasial dalam gradien suhu dan kepadatan nukleasi di dalam kumpulan lelehan; bagian tepinya menampilkan gradien suhu tinggi dan pengayaan fase Al₃(Sc,Zr) primer, yang mendorong nukleasi heterogen, sedangkan bagian tengahnya dicirikan oleh gradien suhu terarah yang kuat yang mendukung pertumbuhan kristal epitaksi sepanjang arah pembuangan panas maksimum. Khususnya, meskipun harga Sc mahal (sekitar $3.000/kg), Zr relatif murah (kira-kira $30/kg); penambahan gabungan elemen-elemen ini menciptakan struktur cangkang Al₃Sc-inti/Al₃Zr-yang tidak hanya meningkatkan stabilitas termal fase penguatan secara signifikan namun juga secara efektif mengurangi biaya paduan. Sementara itu, tim dari Shanghai Jiao Tong University telah mengusulkan strategi desain inovatif berdasarkan nanoscaffold eutektik yang dapat dideformasi-dapat ditransformasikan. Mereka memilih sistem Al-Er yang mendekati-eutektik (12,7% berat Er) sebagai paduan model, memanfaatkan pembentukan fase Al₃Er terstruktur L1₂-terstruktur-yang menunjukkan ketidaksesuaian kisi hanya sebesar 3,96% dengan -Al, serta sistem slip yang melimpah dan kemampuan kembaran yang tinggi. Selama proses pencetakan LPBF, Al₃Er mengendap dengan fraksi volume sekitar 10,3% dalam bentuk kerangka nano 3D-yang berkesinambungan; kerangka ini tidak hanya tahan terhadap tekanan tinggi yang melebihi 1300 MPa namun juga memfasilitasi akomodasi plastis selama deformasi melalui pembentukan kembaran deformasi dan struktur tertata periode panjang 9R, sehingga secara mendasar membalikkan pandangan konvensional bahwa kerangka eutektik pada dasarnya rapuh. Paduan Al-Er-Mg yang dicetak (RAE700) menunjukkan kekuatan luluh sebesar 632 MPa, yang meningkat menjadi 707 MPa setelah penuaan langsung sambil mempertahankan elongasi sebesar 7–10%, sehingga menghasilkan profil kinerja komprehensif yang melampaui semua paduan aluminium cetak 3D-yang dilaporkan sebelumnya. Selain itu, tim peneliti di Universitas Nagoya mengembangkan seri paduan Al-Fe-Mn-Ti berdasarkan strategi "kontrol partisi elemen"; dengan menambahkan Cu dan Mn untuk menstabilkan fase Al₆Fe dan mengubahnya menjadi fase penguatan yang bermanfaat-sekaligus memasukkan Ti yang mempartisi ke dalam fase padat untuk menghaluskan butiran hingga berukuran sekitar 2,3 μm-paduan ini mencapai kekuatan tarik-suhu ruangan sebesar 390 MPa dan perpanjangan sebesar 14–17%, dengan sifat yang hampir tidak berubah setelah 100 jam paparan termal pada suhu 300 derajat .
