ผงโลหะผสมอะลูมิเนียม AlSi10Mg สำหรับการผลิตแบบเพิ่มเนื้อวัสดุ (Additive Manufacturing) ที่มีอัตราส่วนความแข็งแรงต่อน้ำหนักสูง

AlSi10Mg เป็นโลหะผสมอะลูมิเนียม-ซิลิคอน-แมกนีเซียมเกือบยูเทคติก ซึ่งเป็นที่ถกเถียงกันอยู่ว่าเป็นผงอะลูมิเนียมที่ใช้กันอย่างแพร่หลายและเข้าใจกันดีที่สุดในสาขาการผลิตสารเติมแต่งโลหะ (AM) โดยเฉพาะอย่างยิ่งในกระบวนการ Laser Powder Bed Fusion (LPBF) ความนิยมของมันเกิดจากการผสมผสานที่ยอดเยี่ยมของความสามารถในการพิมพ์ที่ดี อัตราส่วนความแข็งแรงต่อน้ำหนักที่ดี คุณสมบัติทางความร้อน และความคุ้มค่า

เดิมทีพัฒนาขึ้นสำหรับการหล่อแบบดั้งเดิม (ซึ่งเป็นที่รู้จักกันในชื่อ A360) องค์ประกอบของมันเหมาะอย่างยิ่งสำหรับลักษณะการแข็งตัวอย่างรวดเร็วของการพิมพ์ 3 มิติ ส่งผลให้เกิดโครงสร้างจุลภาคที่ดีและเสถียรและคุณสมบัติทางกลที่เหนือกว่าเมื่อเทียบกับคู่หล่อ

องค์ประกอบถูกควบคุมอย่างแม่นยำเพื่อให้มั่นใจถึงประสิทธิภาพสูงสุด องค์ประกอบมาตรฐานที่สอดคล้องกับมาตรฐานเช่น ASTM B928 / AMS 4345 คือ:

• ความสามารถในการพิมพ์ที่ดีเยี่ยม: ระบบยูเทคติก Al-Si มีช่วงการแช่แข็งที่ค่อนข้างกว้าง ซึ่งช่วยลดความเค้นตกค้างและแนวโน้มในการแตกร้าวร้อน (การแตกร้าวจากการแข็งตัว) ในระหว่างกระบวนการ LPBF ทำให้เป็นหนึ่งในโลหะผสมอะลูมิเนียมที่ให้อภัยและเชื่อถือได้มากที่สุดในการพิมพ์
• ความแข็งแรงและความแข็งที่ดี: ในสภาพ "พิมพ์แล้ว" ให้คุณสมบัติทางกลที่ดี อย่างไรก็ตาม ศักยภาพที่แท้จริงของมันถูกปลดล็อกผ่านการอบชุบด้วยความร้อน (ดูส่วนที่ 5)
• การนำความร้อนสูง: แสดงการนำความร้อนที่ดี ทำให้เหมาะสำหรับการใช้งานเช่น เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน แผ่นระบายความร้อน และตัวเรือนอิเล็กทรอนิกส์
• ความหนาแน่นต่ำ (~2.67 g/cm³): ให้ความแข็งแรงต่อน้ำหนักสูง ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานด้านการบินและอวกาศ ยานยนต์ และหุ่นยนต์ ซึ่งการประหยัดน้ำหนักเป็นสิ่งสำคัญยิ่ง
• ความต้านทานการกัดกร่อนที่ดี: ให้ความต้านทานที่น่าเคารพต่อการกัดกร่อนในบรรยากาศ คล้ายกับโลหะผสมอะลูมิเนียม-ซิลิคอนอื่นๆ

คุณภาพของผงมีความสำคัญพอๆ กับองค์ประกอบทางเคมี คุณสมบัติผงที่สำคัญ ได้แก่:

• การกระจายขนาดอนุภาค (PSD): โดยทั่วไปมีตั้งแต่ 15 ถึง 63 ไมครอนสำหรับระบบ LPBF มาตรฐาน บางระบบอาจใช้การกระจายตัวที่แน่นกว่า (เช่น 20-45 µm) เพื่อความละเอียดที่ละเอียดกว่า
• สัณฐานวิทยา: อนุภาคต้องเป็นทรงกลมเพื่อให้แน่ใจว่ามีความสามารถในการไหลที่ดี ซึ่งจำเป็นสำหรับการสร้างชั้นผงที่สม่ำเสมอและหนาแน่นทีละชั้น อนุภาคที่ไม่เป็นทรงกลมอาจทำให้การเคลือบใหม่ไม่ดี ซึ่งนำไปสู่ข้อบกพร่อง
• ความสามารถในการไหล: วัดโดย Hall Flowmeter (เช่น < 35 วินาที/50 กรัม) ความสามารถในการไหลที่ดีช่วยให้มั่นใจได้ถึงกระบวนการพิมพ์ที่สอดคล้องกันและเชื่อถือได้
• ความหนาแน่นปรากฏ/ความหนาแน่นแตะ: ความหนาแน่นสูง (>50% ของทฤษฎี) บ่งบอกถึงประสิทธิภาพการบรรจุที่ดี ซึ่งนำไปสู่ความหนาแน่นของชิ้นส่วนสุดท้ายที่สูงขึ้น
• ความชื้นและปริมาณออกไซด์ต่ำ: ผงจะต้องเก็บรักษาและจัดการในบรรยากาศที่แห้งและควบคุม (มักอยู่ในสภาพแวดล้อมอาร์กอน) เพื่อป้องกันการเกิดออกซิเดชันและการดูดซับไฮโดรเจน ซึ่งอาจทำให้เกิดรูพรุนในชิ้นส่วนที่พิมพ์

อัตราการเย็นตัวอย่างรวดเร็ว (~10^5 - 10^6 K/s) ใน LPBF สร้างโครงสร้างจุลภาคที่ไม่สมดุลที่ดีมาก ประกอบด้วยเมทริกซ์อะลูมิเนียมอิ่มตัวยิ่งยวด (α-Al) พร้อมเครือข่ายซิลิคอนแบบเซลลูลาร์/เดนไดรติกที่ดีมาก โครงสร้างที่ดีนี้มีส่วนช่วยในความแข็งแรง "พิมพ์แล้ว" ที่ดี

การอบชุบด้วยความร้อนใช้เพื่อปรับแต่งคุณสมบัติทางกลสำหรับการใช้งานเฉพาะ

• การคลายความเครียด (T1): การอบอ่อนที่อุณหภูมิต่ำ (~300°C เป็นเวลา 2 ชั่วโมง) เพื่อลดความเค้นตกค้างภายในจากกระบวนการสร้างโดยไม่เปลี่ยนแปลงโครงสร้างจุลภาคอย่างมีนัยสำคัญ
• การชุบแข็งโดยตรง (T5): ชิ้นส่วนจะถูกชุบแข็งเทียม (เช่น 160-180°C เป็นเวลา 4-12 ชั่วโมง) โดยตรงหลังจากพิมพ์ สิ่งนี้ทำให้เกิดอนุภาค Mg₂Si ที่ดีภายในเมทริกซ์ เพิ่มความแข็งแรงและความแข็ง ในขณะที่ลดการบิดเบือน
• การอบชุบด้วยความร้อนสารละลายและการชุบแข็ง (T6): นี่คือการรักษาที่พบบ่อยที่สุดเพื่อความแข็งแรงสูงสุด ชิ้นส่วนจะถูกละลายที่อุณหภูมิสูง (~520-540°C) ดับ และจากนั้นชุบแข็ง กระบวนการนี้ทำให้เครือข่ายซิลิคอนหยาบขึ้น (ลดความเหนียวเล็กน้อย) แต่เพิ่มการชุบแข็งแบบตกตะกอนสูงสุด ทำให้ได้ความต้านทานแรงดึงและความแข็งสูงสุด

AlSi10Mg มีความหลากหลายและใช้ในหลายอุตสาหกรรม:

• การบินและอวกาศ: ส่วนประกอบตัวยึด ชิ้นส่วนดาวเทียม โครงโดรน และส่วนประกอบห้องโดยสารที่ไม่ใช่โครงสร้าง
• ยานยนต์: ตัวยึดน้ำหนักเบา ส่วนประกอบเครื่องยนต์ (เช่น ท่อร่วมไอดี) เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน และอุปกรณ์ไฮดรอลิกแบบกำหนดเอง
• อุตสาหกรรม: ตัวกระทำท้ายหุ่นยนต์ จิ๊ก ฟิกซ์เจอร์ และส่วนประกอบระบบอัตโนมัติแบบน้ำหนักเบา
• การจัดการความร้อน: อ่างความร้อน แผ่นเย็นสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ และช่องระบายความร้อนสำหรับแม่พิมพ์ (การระบายความร้อนแบบสอดคล้อง)
• การสร้างต้นแบบ: ต้นแบบการทำงานที่ต้องการคุณสมบัติคล้ายโลหะสำหรับการทดสอบ

• ความสามารถในการพิมพ์ที่ดีเยี่ยมและอัตราความสำเร็จในการสร้างสูง
• ความแข็งแรงจำเพาะที่ดี (อัตราส่วนความแข็งแรงต่อน้ำหนัก)
• คุณสมบัติทางความร้อนที่ดี
• มีจำหน่ายอย่างแพร่หลายและมีเอกสารประกอบอย่างดี
• คุ้มค่ากว่าเมื่อเทียบกับโลหะผสม AM ประสิทธิภาพสูงอื่นๆ (เช่น Scalmalloy®)

• ความเหนียวปานกลาง: โดยเฉพาะอย่างยิ่งในสภาวะ T6 การยืดตัวเมื่อขาดจะต่ำกว่าโลหะผสมอะลูมิเนียมแบบขึ้นรูปบางชนิด
• ไม่ใช่สำหรับการใช้งานที่อุณหภูมิสูง: คุณสมบัติทางกลจะเสื่อมสภาพอย่างมากเหนือ ~200°C เนื่องจากการหยาบขึ้นของสารตกตะกอนเสริมความแข็งแรง
• คุณสมบัติแบบแอนไอโซโทรปิก: คุณสมบัติทางกลอาจแตกต่างกันเล็กน้อยในทิศทางแนวตั้ง (สร้าง) เมื่อเทียบกับทิศทางแนวนอนเนื่องจากลักษณะการสร้างแบบทีละชั้นของ AM