01 Tantangan Kontemporer: Karena kepadatannya yang rendah, kekuatan spesifik yang tinggi, dan ketahanan terhadap korosi yang sangat baik, paduan aluminium telah menjadi material struktural yang sangat diperlukan di sektor peralatan ruang angkasa, otomotif, dan energi. Namun, dengan meningkatnya permintaan di industri modern akan geometri kompleks dan-komponen ringan berperforma tinggi, metode pengecoran dan pemesinan tradisional menghadapi keterbatasan mendasar saat membuat 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 membuat komponen kompleks dengan kepadatan melebihi 99,5% dengan melelehkan secara selektif lapisan bubuk yang telah diendapkan sebelumnya menggunakan sinar laser berenergi tinggi, sehingga membangun struktur lapis demi lapis. Dengan laju pendinginan tipikal yang mencapai 10⁶ K/s, proses ini memungkinkan pembentukan larutan padat lewat jenuh dan struktur mikro berbutir ultrahalus yang berada jauh melampaui kondisi solidifikasi kesetimbangan. Sebaliknya, teknologi LDED-yang menggunakan pengumpanan bubuk secara bersamaan bersamaan dengan peleburan laser-menunjukkan keunggulan unik dalam perbaikan komponen yang rusak, pembuatan-komponen struktur berskala besar, dan produksi material yang dinilai secara fungsional. Namun demikian, paduan aluminium menghadapi serangkaian tantangan fisik-metalurgi yang melekat selama proses pembuatan aditif laser. Paduan aluminium menunjukkan reflektifitas lebih dari 90% terhadap laser inframerah dekat (dengan panjang gelombang 1070 nm) pada suhu kamar; hal ini menghasilkan efisiensi penggabungan energi yang sangat rendah, sehingga memerlukan penggunaan laser dengan kepadatan{24}}daya-tinggi untuk membentuk kumpulan lelehan yang stabil. Selain itu, lapisan oksida padat (Al₂O₃) mudah terbentuk pada permukaan paduan aluminium. Dengan titik leleh 2072 derajat -jauh lebih tinggi dibandingkan matriks aluminium (660 derajat )-fragmen film oksida ini sering kali gagal meleleh sepenuhnya di dalam kumpulan lelehan, sering kali berfungsi sebagai lokasi nukleasi retakan dan sumber kekurangan-cacat fusi. Yang paling penting, kelarutan hidrogen dalam aluminium cair (kira-kira 0,7 cm³/100g) jauh lebih tinggi dibandingkan dengan aluminium padat (kira-kira 0,04 cm³/100g). Selama proses pemadatan yang cepat, atom hidrogen jenuh tidak memiliki cukup waktu untuk berdifusi; sebaliknya, mereka terakumulasi pada antarmuka cair{40}}padat untuk membentuk inti gelembung gas, yang pada akhirnya meninggalkan pori-pori metalurgi dengan diameter mulai dari beberapa mikron hingga puluhan mikron dalam struktur mikro yang dipadatkan. Sementara itu, kisaran temperatur pemadatan yang luas pada paduan aluminium (misalnya, melebihi 150 derajat untuk Al7075) dan penyusutan pemadatannya yang signifikan (kira-kira 6%) menjadikannya sangat rentan terhadap porositas pemadatan dan keretakan panas setelah saluran pengumpanan di bagian ekor kolam peleburan ditutup. Hal ini merupakan tantangan utama yang dihadapi paduan aluminium seri 2xxx dan 7xxx berkekuatan tinggi selama proses LPBF. Selain itu, karakteristik siklus termal ekstrem dari manufaktur aditif laser-di mana suhu kolam lelehan terlokalisasi melebihi 2000 derajat sementara bubuk dan substrat di sekitarnya tetap berada di antara suhu kamar dan 200 derajat , sehingga menghasilkan gradien suhu setinggi 10⁶ K/m-menghasilkan medan tegangan termal kompleks dalam komponen fabrikasi; jika tidak dikontrol, hal ini dapat menyebabkan lengkungan, deformasi, dan bahkan keretakan antar lapisan.
02 Desain Komposisi: Pada tingkat desain komposisi, sistem paduan aluminium yang biasanya digunakan dalam pengecoran dan penempaan seringkali tidak cocok untuk pembuatan aditif. Dengan mengambil paduan AlSi10Mg sebagai contoh: meskipun komposisinya yang mendekati eutektik memberikan fluiditas yang sangat baik selama pengecoran, dalam kondisi pemadatan LPBF yang cepat, jaringan kasar fase silikon eutektik secara paradoks menjadi 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 paduan aluminium khusus yang disesuaikan dengan karakteristik unik manufaktur aditif telah muncul sebagai pusat penelitian utama di bidang ini.
Penelitian yang dilakukan oleh Chongqing Institute of Green and Intelligent Technology, Chinese Academy of Sciences, mengungkapkan bahwa dengan menambahkan sejumlah kecil Sc (0,2–0,4% berat) dan Zr (0,1–0,3% berat) ke paduan berbasis Al-Mg-, fase primer Al₃(Sc,Zr) skala nano-yang memiliki struktur L1₂ yang teratur-dapat dibentuk *di tempat* selama proses cepat proses pemadatan Laser Powder Bed Fusion (LPBF). Fase ini menunjukkan ketidakcocokan kisi yang sangat rendah (sekitar 1,3%) dengan matriks -Al, sehingga berfungsi sebagai situs nukleasi heterogen yang sangat efisien yang menyempurnakan ukuran butir dari puluhan mikrometer hingga tingkat sub-mikrometer. Studi lebih lanjut mencatat bahwa paduan Al-Mg-Mn-Sc-Zr yang dibuat oleh SLM-memiliki struktur butir bimodal yang khas: tepi kumpulan lelehan memiliki zona butiran sama sumbu dengan ukuran butiran rata-rata sekitar 1,04 μm, sedangkan pusat kumpulan lelehan terdiri dari zona butiran berbentuk kolom-yang tumbuh di sepanjang bangunan arah-dengan ukuran butiran rata-rata sekitar 2,11 μm. Struktur butir heterogen ini berasal dari variasi spasial dalam gradien suhu dan kepadatan nukleasi di dalam kumpulan lelehan; khususnya, tepi kolam lelehan dicirikan oleh gradien suhu yang curam dan pengayaan fase primer Al₃(Sc,Zr), yang mendorong nukleasi heterogen, sedangkan pusat kolam lelehan menunjukkan gradien suhu yang sangat terarah yang memfasilitasi pertumbuhan epitaksi kristal sepanjang arah pembuangan panas maksimum. Khususnya, meskipun Sc merupakan elemen yang mahal (harganya sekitar $3.000/kg), Zr relatif murah (sekitar $30/kg); penambahan gabungan kedua elemen ini menciptakan struktur-kulit cangkang-inti yang terdiri dari inti Al₃Sc dan cangkang Al₃Zr-yang tidak hanya meningkatkan stabilitas termal fase penguatan secara signifikan namun juga secara efektif mengurangi biaya paduan secara keseluruhan. Sementara itu, tim dari Universitas Shanghai Jiao Tong telah mengusulkan strategi desain inovatif alternatif yang berpusat pada "perancah nano eutektik yang dapat dideformasi-dapat ditransformasikan". Dengan memilih sistem -eutektik Al-Er (12,7% berat Er) sebagai paduan modelnya, tim memanfaatkan kemampuan Er untuk membentuk fase Al₃Er dengan struktur L1₂ bersama dengan Al; fase ini menunjukkan ketidakcocokan kisi hanya sebesar 3,96% dibandingkan dengan matriks -Al dan dicirikan oleh banyaknya sistem slip dan kapasitas kembaran yang tinggi. Selama proses pencetakan LPBF, Al₃Er mengendap dalam bentuk kerangka skala nano tiga dimensi yang kontinu, dengan volume sekitar 10,3 vol%. Kerangka ini tidak hanya mampu menahan tekanan tinggi yang melebihi 1300 MPa namun juga memfasilitasi akomodasi plastis selama deformasi melalui pembentukan kembaran deformasi dan struktur teratur-periode penumpukan-periode panjang 9R-sehingga secara fundamental membalikkan anggapan tradisional bahwa kerangka eutektik pada dasarnya rapuh. Paduan Al-Er-Mg (RAE700) yang dicetak (RAE700) menunjukkan kekuatan luluh sebesar 632 MPa, yang selanjutnya meningkat menjadi 707 MPa setelah perlakuan penuaan langsung, sekaligus mempertahankan perpanjangan sebesar 7–10%; sifat komprehensif ini melampaui semua paduan aluminium cetak 3D-yang dilaporkan sebelumnya. Selain itu, tim peneliti di Universitas Nagoya telah mengembangkan serangkaian paduan Al-Fe-Mn-Ti berdasarkan strategi "kontrol partisi unsur". Dengan menambahkan Cu dan Mn, mereka berhasil menstabilkan fase Al₆Fe-mengubahnya menjadi fase penguatan yang bermanfaat-sekaligus memasukkan Ti, yang mempartisi fase padat untuk menginduksi penghalusan butiran (hingga sekitar 2,3 μm). Hasilnya, paduan tersebut mencapai kekuatan tarik-suhu ruangan sebesar 390 MPa dan keuletan 14–17%; secara signifikan, sifat mekaniknya tetap tidak berubah bahkan setelah paparan termal pada 300 derajat selama 100 jam.
03 Pengendalian Proses: Hubungan kuantitatif antara parameter proses dan dinamika kumpulan lelehan adalah kunci untuk menjelaskan mekanisme yang mengatur pembentukan struktur mikro dalam pembuatan aditif laser pada paduan aluminium. Perilaku dinamika fluida di dalam kolam lelehan didorong secara kolektif oleh konveksi Marangoni, tekanan mundur, daya apung, dan gaya termokapiler. Di antaranya, gaya geser Marangoni-yang timbul dari gradien tegangan permukaan yang disebabkan oleh gradien suhu melintasi permukaan kolam lelehan-merupakan gaya dominan yang mendorong aliran logam cair dari pusat kolam menuju pinggirannya. Sebaliknya, tekanan balik-yang dihasilkan oleh pengusiran kuat uap logam di dalam lubang kunci-menerapkan gaya tekan yang mendorong logam cair ke arah dasar dan dinding samping lubang kunci. Studi menunjukkan bahwa kepadatan energi volumetrik (VED) berfungsi sebagai metrik penting untuk menentukan transisi mode kumpulan lelehan: ketika VED melebihi sekitar 60 J/mm³, tekanan balik evaporasi menjadi cukup untuk menghasilkan lubang kunci di dalam kumpulan lelehan dengan rasio aspek lebih besar dari 1, sehingga memulai "mode lubang kunci"; sebaliknya, proses beroperasi dalam "mode konduksi". Meskipun mode lubang kunci memfasilitasi pencapaian kepadatan material yang tinggi, osilasi lubang kunci yang tidak stabil-khususnya, keruntuhan dinding depannya secara berkala-merupakan mekanisme utama pembentukan porositas lubang kunci (pori-pori biasanya berdiameter 50–200 μm). Pori-pori ini dicirikan oleh ukurannya yang besar dan morfologi yang tidak beraturan, sehingga menimbulkan kerugian yang jauh lebih besar terhadap kinerja kelelahan dibandingkan pori-pori metalurgi skala halus. Penelitian yang dilakukan di Northwestern Polytechnical University telah menunjukkan bahwa penambahan sejumlah kecil (0,15% berat) penyuling butiran Al-Nb-B ke paduan AlSi10Mg dapat secara signifikan memodulasi transisi kolumnar-ke-equiaxed (CET). Bertindak sebagai situs nukleasi heterogen, partikel NbB₂ dan Al₃Nb yang dihasilkan meningkatkan fraksi volume butiran ekuaks dari kurang dari 20% menjadi lebih dari 80%; secara bersamaan, intervensi ini mengurangi rasio anisotropi plastis (didefinisikan sebagai rasio pemanjangan memanjang dan melintang) dari 3,5 menjadi 1,2, sehingga mencapai keadaan isotropi yang hampir sempurna. Karakteristik evolusi dari cacat porositas menunjukkan variasi yang berbeda pada sistem paduan aluminium yang berbeda: pada paduan seri Al-Cu, rentang pemadatan yang luas menghasilkan peningkatan resistensi aliran dalam zona lembek, sehingga menjadikan pengumpanan yang efektif (aliran lelehan kompensasi) menjadi lebih menantang; akibatnya, fraksi volume pori-pori metalurgi pada paduan ini dapat mencapai 1–2%. Sebaliknya, paduan seri Al-Si-karena rentang pemadatan yang sempit terkait dengan komposisi eutektiknya-memungkinkan tingkat porositas dikontrol secara efektif hingga di bawah 0,1%. Pembentukan tekstur kristal terkait erat dengan perilaku pemadatan lapisan demi lapisan; ketika strategi pemindaian searah 0 derajat digunakan, a<001>tekstur berkembang sepanjang arah pembuatan, menghasilkan perbedaan 10–20% antara kekuatan luluh dalam arah memanjang (arah pembuatan) dan arah melintang. Sebaliknya, mengadopsi strategi pemindaian rotasi 67 derajat dapat mengurangi intensitas tekstur ke tingkat orientasi acak, sehingga pada dasarnya menghilangkan anisotropi pada sifat mekanik. Terkait kinerja layanan-suhu tinggi, paduan aluminium yang diproduksi secara aditif menunjukkan potensi penguatan yang unik seiring dengan tantangan spesifik terkait degradasi properti. Sebuah artikel ulasan oleh Central South University mengkategorikan-mekanisme penguatan suhu tinggi dari paduan aluminium yang diproduksi secara aditif tahan panas-ke dalam tiga jalur inti. Pertama, efek sinergis multi-komponen membangun arsitektur berlapis-lapis dan stabil secara termal dengan menggabungkan elemen dengan laju difusi yang bervariasi. Misalnya, pada paduan Al-Ce-Sc-Zr, fase eutektik Al₁₁Ce₃ yang padat dan seragam, dikombinasikan dengan endapan L1₂-Al₃(Sc,Zr) intragranular, menciptakan efek penguatan ganda; Hal ini memungkinkan paduan untuk mempertahankan kekuatan tarik sebesar 233 MPa pada 300 derajat dan 142 MPa pada 400 derajat, tanpa adanya kekasaran butiran yang signifikan bahkan setelah paparan termal berkepanjangan pada 400 derajat selama 96 jam. Kedua, penguatan intermetalik bergantung pada pemilihan senyawa intermetalik dengan koefisien difusi rendah dan titik leleh tinggi untuk membentuk struktur kerangka yang kaku pada suhu tinggi. Konstanta laju pengasaran fase Al₁₁Ce₃ pada 400 derajat hanya 1,6 nm³/s-jauh lebih rendah dibandingkan fase Al₂Cu pada paduan Al-Cu tradisional pada suhu yang sama (kira-kira 100 nm³/s); stabilitas suhu tinggi yang unggul ini memungkinkan suhu tinggi untuk terus bertindak sebagai penghalang efektif terhadap gerakan dislokasi. Ketiga, regulasi skala atom menghambat pengkasaran dengan memasukkan elemen pemisah pada antarmuka antara fase penguatan dan matriks. Penelitian telah menunjukkan bahwa unsur-unsur seperti Sc, Zr, Si, dan Mn-yang memisah pada antarmuka θ′-Al₂Cu/ -Al-dapat menurunkan energi antarmuka dan menghambat difusi atom, sehingga memperluas kisaran suhu layanan paduan seri 2xxx-dari batas tradisional 200 derajat menjadi antara 250 derajat dan 300 derajat. Sebuah penelitian yang dipublikasikan di *Nature Communications*-dipimpin oleh Akademisi Lu Jian dari City University of Hong Kong bekerja sama dengan beberapa institusi-telah mengambil langkah maju yang signifikan dengan memanfaatkan elemen pengotor yang umum ditemukan dalam paduan aluminium (Si, Fe, Mn, dan Ni) untuk mengembangkan bahan-yang tahan panas Paduan Al-7.44Si-2.34Fe-1.79Mn-1.12Ni yang tidak mengandung logam mulia maupun unsur tanah jarang. Dalam kondisi pemadatan yang cepat, paduan ini mengalami pemisahan non-kesetimbangan, menyematkan-endapan nano intermetalik multi-yang tahan panas-menempati fraksi volume hingga 14%-pada batas sel pemadatan, sehingga membentuk struktur mikro seluler yang stabil secara termal. Tanpa memerlukan pasca-pemrosesan apa pun, paduan ini menunjukkan kekuatan tarik-suhu ruangan sebesar 582 MPa, dengan kekuatan masing-masing sebesar 263 MPa dan 114 MPa pada 300 derajat dan 400 derajat . Lebih jauh lagi, penelitian ini mengungkapkan-untuk pertama kalinya dalam paduan aluminium-mekanisme ketangguhan yang didorong oleh-amorfisasi keadaan padat: selama deformasi suhu-tinggi, sebagian nanopresipitat intermetalik mengalami transformasi amorf keadaan padat, yang pada akhirnya membentuk "partikel nano amorf + (fase ′-(Ni,Fe)₃Al) berurutan L1₂" struktur nanobifasik yang menyediakan jalur disipasi energi tambahan untuk perambatan retakan suhu tinggi.
