پودر آلیومینیوم Al6061 با کیفیت بالا برای تولید افزودنی

Al6061 یکی از همه کاره ترین و پرکاربردترین آلیاژهای آلومینیوم کار شده در تولید سنتی (به عنوان مثال، اکستروژن، آهنگری، ماشینکاری CNC) است. با این حال، استفاده از آن در تولید افزودنی مبتنی بر پودر (AM)، به ویژه همجوشی بستر پودر لیزری (LPBF)، به طور قابل توجهی چالش برانگیزتر و کمتر رایج است از آلیاژهای ریخته گری مانند AlSi10Mg یا AlSi7Mg.

پودر Al6061 با "کیفیت بالا" برای غلبه بر این چالش ها مهندسی شده است و هدف آن تکرار ترکیب عالی استحکام، قابلیت جوشکاری و مقاومت در برابر خوردگی است که فرم کار شده را بسیار محبوب می کند. چاپ موفقیت آمیز با Al6061 به کنترل دقیق ویژگی های پودر و پارامترهای چاپ پیشرفته نیاز دارد.

ترکیب برای خواص آن کلیدی است و با استانداردهایی مانند ASTM B928 یا AMS 4417 مطابقت دارد.

• نسبت استحکام به وزن عالی: نشانه ای از سری 6xxx.
• مقاومت در برابر خوردگی خوب: به ویژه در برابر شرایط جوی، بهتر از بسیاری از آلیاژهای سری 2xxx یا 7xxx.
• چقرمگی و شکل پذیری بالا: در حالت کاملاً عملیات حرارتی شده، ازدیاد طول خوبی را ارائه می دهد و آن را برای کاربردهای ساختاری مناسب می کند.
• قابلیت جوشکاری عالی: در شکل کار شده، بسیار قابل جوش است. این امر به پتانسیل خوبی برای تعمیر یا تولید هیبریدی با AM ترجمه می شود.
• چالش ترک خوردگی داغ: این است مانع اصلی در LPBF. محدوده انجماد Al6061 وسیع است و آن را در برابر ترک خوردگی انجماد (پارگی داغ) در طول خنک شدن سریع حوضچه مذاب بسیار مستعد می کند.

برای اینکه Al6061 شانس موفقیتی در چاپ داشته باشد، کیفیت پودر بسیار مهم است:

• توزیع اندازه ذرات (PSD): به شدت کنترل شده، معمولاً 15 - 45 µm یا 20 - 63 µm. توزیع باریک، سیالیت و تراکم بسته بندی را بهبود می بخشد.
• ریخت شناسی: کرویت تقریباً کامل غیر قابل مذاکره است. هر گونه ذرات ماهواره ای یا نامنظمی، جریان را به شدت مختل کرده و باعث ایجاد نقص می شود.
• سیالیت: باید عالی باشد (به عنوان مثال، Hall Flow < 30 s/50g). جریان ضعیف منجر به لایه های ناهموار و تخلخل بالا می شود.
• رطوبت و محتوای اکسید کم: این بسیار مهم است. پودر باید تحت اتمسفر بی اثر (آرگون) تولید، ذخیره و جابجا شود تا اکسیدهای سطحی به حداقل برسد، که می تواند ترک خوردگی را تشدید کرده و باعث ایجاد گنجاندن شود.
• خلوص شیمیایی: پودر با کیفیت بالا کنترل دقیقی بر روی عناصر کمیاب خواهد داشت که می تواند ترک خوردگی داغ را بدتر کند.

مشکل اساسی: بر خلاف AlSi10Mg نزدیک به یوتکتیک، Al6061 در یک محدوده دمایی وسیع جامد می شود. این امر منجر به تشکیل یک ناحیه خمیری طولانی و آسیب پذیر می شود که در آن فیلم های مایع بین دندریت ها توسط تنش های حرارتی پاره می شوند و باعث ایجاد ترک های انجمادی می شوند که یک قطعه را بی فایده می کند.

استراتژی هایی برای چاپ موفق:

• بهینه سازی پارامترهای فرآیند: استفاده از لیزرهای بسیار پرقدرت و استراتژی های اسکن خاص برای ایجاد یک حوضچه مذاب پایدار و مدیریت گرادیان های حرارتی.
• بذر نانوذرات (یک رویکرد پیشرفته): موفق ترین روش های تحقیقاتی و صنعتی شامل دوپینگ پودر Al6061 با نانوذرات مهندسی شده ویژه (به عنوان مثال، زیرکونیوم (Zr)، اسکاندیم (Sc) یا کاربید تیتانیوم (TiC)) است. این ذرات به عنوان محل های هسته زایی برای دانه های ریز و هم محور عمل می کنند و به طور موثر مرزهای دانه آسیب پذیر را "وصله" می کنند و از انتشار ترک جلوگیری می کنند. این یک کلاس جدید از مواد را ایجاد می کند که اغلب نامیده می شود آلیاژهای سری 6xxx بدون ترک (به عنوان مثال، تغییراتی مانند A6061-RAM یا Scalmalloy® برای سری 7xxx).

Al6061 به عملیات حرارتی T6 استاندارد پاسخ خوبی می دهد که برای دستیابی به پتانسیل مکانیکی کامل آن ضروری است.

• عملیات حرارتی محلول: ~530 درجه سانتیگراد برای زمان کافی برای حل کردن عناصر آلیاژی در ماتریس.
• خاموش کردن: خنک کننده سریع، معمولاً در آب.
• پیری مصنوعی: ~160-175 درجه سانتیگراد به مدت 8-18 ساعت برای رسوب ذرات ریز Mg₂Si، که به طور قابل توجهی استحکام را افزایش می دهد.

با توجه به چالش ها، کاربردهای Al6061 تولید شده با LPBF بیشتر متمرکز هستند اما اجزایی را هدف قرار می دهند که به طور سنتی از 6061 کار شده استفاده می کنند:

• نمونه های اولیه و ابزارآلات هوافضا: جیگ ها، وسایل و نمونه های اولیه عملکردی که باید با خواص قطعات نهایی کار شده مطابقت داشته باشند.
• خودرو: براکت های سفارشی و اجزای ساختاری سبک وزن که در آن شکل پذیری ارزش دارد.
• تولید هیبریدی: در فرآیندهای رسوب انرژی جهت دار (DED) برای تعمیر یا افزودن ویژگی ها به اجزای 6061 موجود استفاده می شود.

مزایا (در صورت چاپ و درمان موفقیت آمیز):

• آشنایی: خواص مواد به خوبی برای مهندسان درک شده است.
• ترکیبی عالی از خواص: استحکام خوب، شکل پذیری بالا و مقاومت در برابر خوردگی عالی.
• قابلیت جوشکاری: مناسب برای پس از پردازش و ادغام با سایر اجزا.

محدودیت ها:

• پردازش بسیار دشوار با LPBF: حساسیت بالا به ترک خوردگی داغ، آن را برای هندسه های پیچیده بدون مجموعه پارامترهای پیشرفته یا اصلاحات مواد غیر قابل اعتماد می کند.
• چگالی کم چاپ شده: دستیابی به چگالی >99.5% معمولی AlSi10Mg بسیار چالش برانگیز است.
• به تخصص تخصصی نیاز دارد: یک ماده "plug-and-play" نیست. به تحقیق و توسعه و بهینه سازی فرآیند قابل توجهی نیاز دارد.
• هزینه: پودر با کیفیت بالا و نیاز به توسعه پارامترهای گسترده، هزینه کلی را افزایش می دهد.