ผงอะลูมิเนียมอัลลอยด์ Al6061 คุณภาพสูงสำหรับการผลิตแบบเพิ่มเนื้อวัสดุ

Al6061 เป็นหนึ่งในโลหะผสมอะลูมิเนียมขึ้นรูปที่ใช้งานได้หลากหลายและใช้กันอย่างแพร่หลายในการผลิตแบบดั้งเดิม (เช่น การอัดขึ้นรูป การตีขึ้นรูป การตัดเฉือน CNC) อย่างไรก็ตาม การนำไปใช้ในการผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุ (AM) โดยใช้ผงเป็นหลัก โดยเฉพาะอย่างยิ่ง Laser Powder Bed Fusion (LPBF) นั้นมีความท้าทายมากกว่าและพบได้น้อยกว่าโลหะผสมหล่อเช่น AlSi10Mg หรือ AlSi7Mg

ผง Al6061 "คุณภาพสูง"ได้รับการออกแบบมาเพื่อเอาชนะความท้าทายเหล่านี้ โดยมีเป้าหมายเพื่อจำลองการผสมผสานที่ยอดเยี่ยมของความแข็งแรง ความสามารถในการเชื่อม และความต้านทานการกัดกร่อน ซึ่งทำให้รูปแบบการขึ้นรูปเป็นที่นิยม การพิมพ์ด้วย Al6061 ให้สำเร็จต้องควบคุมลักษณะของผงและพารามิเตอร์การพิมพ์ขั้นสูงอย่างแม่นยำ

องค์ประกอบเป็นกุญแจสำคัญสำหรับคุณสมบัติและสอดคล้องกับมาตรฐานต่างๆ เช่น ASTM B928 หรือ AMS 4417

• อัตราส่วนความแข็งแรงต่อน้ำหนักที่ดีเยี่ยม: จุดเด่นของซีรีส์ 6xxx
• ความต้านทานการกัดกร่อนที่ดี: โดยเฉพาะอย่างยิ่งต่อสภาพบรรยากาศ ดีกว่าโลหะผสมซีรีส์ 2xxx หรือ 7xxx หลายชนิด
• ความเหนียวและความเหนียวสูง: ในสภาวะที่ผ่านการอบชุบด้วยความร้อนอย่างเต็มที่ จะให้การยืดตัวที่ดี ทำให้เหมาะสำหรับการใช้งานโครงสร้าง
• ความสามารถในการเชื่อมที่ดีเยี่ยม: ในรูปแบบการขึ้นรูป สามารถเชื่อมได้สูง ซึ่งแปลว่ามีศักยภาพที่ดีสำหรับการซ่อมแซมหรือการผลิตแบบไฮบริดด้วย AM
• ความท้าทายของการแตกร้าวจากความร้อน: นี่คืออุปสรรคหลัก ใน LPBF ช่วงการแข็งตัวของ Al6061 นั้นกว้าง ทำให้มีความเสี่ยงสูงต่อการแตกร้าวจากการแข็งตัว (การฉีกขาดจากความร้อน) ในระหว่างการระบายความร้อนอย่างรวดเร็วของบ่อหลอม

เพื่อให้ Al6061 มีโอกาสประสบความสำเร็จในการพิมพ์ คุณภาพของผงเป็นสิ่งสำคัญยิ่ง:

• การกระจายขนาดอนุภาค (PSD): ควบคุมอย่างเข้มงวด โดยทั่วไป15 - 45 µm หรือ20 - 63 µm. การกระจายตัวที่แคบช่วยเพิ่มความสามารถในการไหลและความหนาแน่นในการบรรจุ
• สัณฐานวิทยา: ทรงกลมเกือบสมบูรณ์แบบ เป็นสิ่งที่ไม่สามารถต่อรองได้ อนุภาคดาวเทียมหรือความผิดปกติใดๆ จะขัดขวางการไหลอย่างรุนแรงและทำให้เกิดข้อบกพร่อง
• ความสามารถในการไหล: ต้องดีเยี่ยม (เช่น Hall Flow< 30 วินาที/50 กรัม) การไหลที่ไม่ดีจะส่งผลให้ชั้นไม่สม่ำเสมอและมีรูพรุนสูง
• ปริมาณความชื้นและออกไซด์ต่ำ: นี่เป็นสิ่งสำคัญ ผงจะต้องผลิต จัดเก็บ และจัดการภายใต้บรรยากาศเฉื่อย (อาร์กอน) เพื่อลดออกไซด์บนพื้นผิว ซึ่งอาจทำให้การแตกร้าวแย่ลงและสร้างการรวมตัว
• ความบริสุทธิ์ทางเคมี: ผงคุณภาพสูงจะมีการควบคุมธาตุติดตามอย่างเข้มงวด ซึ่งอาจทำให้การแตกร้าวจากความร้อนแย่ลง

ปัญหาพื้นฐาน: ซึ่งแตกต่างจาก AlSi10Mg ที่เกือบจะเป็นยูเทคติก Al6061 จะแข็งตัวในช่วงอุณหภูมิที่กว้าง ซึ่งนำไปสู่การก่อตัวของโซนที่อ่อนแอและยาวนาน ซึ่งฟิล์มของเหลวระหว่างเดนไดรต์ถูกฉีกออกจากกันด้วยความเครียดจากความร้อน ทำให้เกิดรอยร้าวจากการแข็งตัว ซึ่งทำให้ชิ้นส่วนไร้ประโยชน์

กลยุทธ์สำหรับการพิมพ์ที่ประสบความสำเร็จ:

• การเพิ่มประสิทธิภาพพารามิเตอร์กระบวนการ: การใช้เลเซอร์กำลังสูงมากและกลยุทธ์การสแกนเฉพาะเพื่อสร้างบ่อหลอมที่เสถียรและจัดการการไล่ระดับอุณหภูมิ
• การเพาะเมล็ดด้วยอนุภาคนาโน (แนวทางขั้นสูง): วิธีการวิจัยและอุตสาหกรรมที่ประสบความสำเร็จมากที่สุดเกี่ยวข้องกับการเจือผง Al6061 ด้วยอนุภาคนาโนที่ออกแบบมาเป็นพิเศษ (เช่น เซอร์โคเนียม (Zr), สแกนเดียม (Sc) หรือไทเทเนียมคาร์ไบด์ (TiC)) อนุภาคเหล่านี้ทำหน้าที่เป็นจุดนิวเคลียสสำหรับเกรนละเอียดและเท่ากัน ซึ่งเป็นการ "ปะ" ขอบเขตเกรนที่เปราะบางอย่างมีประสิทธิภาพและป้องกันการแพร่กระจายของรอยร้าว สิ่งนี้สร้างวัสดุประเภทใหม่ที่มักเรียกว่าโลหะผสมซีรีส์ 6xxx ที่ "ปราศจากรอยร้าว"(เช่น รูปแบบต่างๆ เช่น A6061-RAM หรือ Scalmalloy® สำหรับซีรีส์ 7xxx)

Al6061 ตอบสนองได้ดีต่อการอบชุบด้วยความร้อน T6 มาตรฐาน ซึ่งจำเป็นสำหรับการบรรลุศักยภาพทางกลอย่างเต็มที่

• การอบชุบด้วยความร้อนแบบสารละลาย: ~530°C เป็นระยะเวลาที่เพียงพอในการละลายธาตุผสมลงในเมทริกซ์
• การดับ: การระบายความร้อนอย่างรวดเร็ว โดยทั่วไปในน้ำ
• การบ่มเทียม: ~160-175°C เป็นเวลา 8-18 ชั่วโมง เพื่อตกตะกอนอนุภาค Mg₂Si ที่ละเอียด ซึ่งจะช่วยเพิ่มความแข็งแรงอย่างมาก

เนื่องจากความท้าทาย การใช้งานสำหรับ Al6061 ที่ผลิตโดย LPBF จึงเป็นแบบเฉพาะกลุ่มมากขึ้น แต่กำหนดเป้าหมายส่วนประกอบที่ใช้ 6061 แบบขึ้นรูปตามธรรมเนียม:

• ต้นแบบและเครื่องมือด้านการบินและอวกาศ: จิ๊ก ฟิกซ์เจอร์ และต้นแบบการทำงานที่ต้องตรงกับคุณสมบัติของชิ้นส่วนขึ้นรูปขั้นสุดท้าย
• ยานยนต์: ตัวยึดแบบกำหนดเองและส่วนประกอบโครงสร้างน้ำหนักเบาที่ให้คุณค่ากับความเหนียว
• การผลิตแบบไฮบริด: ใช้ในกระบวนการ Directed Energy Deposition (DED) สำหรับการซ่อมแซมหรือเพิ่มคุณสมบัติให้กับส่วนประกอบ 6061 ที่มีอยู่

ข้อดี (เมื่อพิมพ์และผ่านการบำบัดสำเร็จ):

• ความคุ้นเคย: คุณสมบัติของวัสดุที่เข้าใจอย่างถ่องแท้สำหรับวิศวกร
• การผสมผสานคุณสมบัติที่ยอดเยี่ยม: ความแข็งแรงที่ดี ความเหนียวสูง และความต้านทานการกัดกร่อนที่ดีเยี่ยม
• ความสามารถในการเชื่อม: เหมาะสำหรับการประมวลผลหลังการผลิตและการรวมเข้ากับส่วนประกอบอื่นๆ

ข้อจำกัด:

• ประมวลผลได้ยากมากด้วย LPBF: ความไวสูงต่อการแตกร้าวจากความร้อนทำให้ไม่น่าเชื่อถือสำหรับรูปทรงเรขาคณิตที่ซับซ้อนหากไม่มีชุดพารามิเตอร์ขั้นสูงหรือการปรับเปลี่ยนวัสดุ
• ความหนาแน่นที่พิมพ์ออกมาต่ำกว่า: เป็นเรื่องที่ท้าทายมากที่จะบรรลุความหนาแน่น >99.5% ทั่วไปของ AlSi10Mg
• ต้องใช้ความเชี่ยวชาญพิเศษ: ไม่ใช่วัสดุแบบ "เสียบแล้วใช้งานได้เลย" ต้องใช้ R&D และการเพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการอย่างมาก
• ค่าใช้จ่าย: ผงคุณภาพสูงและความต้องการในการพัฒนาพารามิเตอร์อย่างกว้างขวางช่วยเพิ่มต้นทุนโดยรวม