01 אתגרי התקופה - בשל הצפיפות הנמוכה, החוזק הספציפי הגבוה ועמידותן המצוינת בפני קורוזיה, סגסוגות אלומיניום הפכו לחומרים מבניים הכרחיים במגזרי תעופה וחלל, רכב וציוד אנרגיה. עם זאת, מכיוון שהדרישה של התעשייה המודרנית לגיאומטריות מורכבות וביצועים- גבוהים, עליות רכיבים קלים, שיטות יציקה ועיבוד עיבוד מסורתיות עומדות בפני מגבלות בסיסיות בייצור חלקים הכוללים ערוצים פנימיים מורכבים, מבני סריג ומאפיינים דקים-בקירות. טכנולוגיות ייצור תוספים-במיוחד Laser Powder Bed Fusion (LPBF) ו-Laser Directed Energy Deposition (LDED)-מציעות מסלולים מהפכניים להתגבר על צווארי בקבוק אלו בייצור. טכנולוגיית LPBF משתמשת בקרן לייזר-באנרגיה גבוהה כדי להמיס באופן סלקטיבי שכבות אבקה שהופקדו- מראש, ולבנות רכיבים מורכבים עם צפיפות העולה על 99.5% שכבה אחר שכבה; עם קצבי קירור טיפוסיים המגיעים לסדר גודל של 10⁶ K/s, הוא יכול לייצר תמיסות מוצקות על רוויות ומבנים מיקרו-דקים במיוחד-מרוחקים ממצבי התמצקות בשיווי משקל. בינתיים, טכנולוגיית LDED, המשתמשת בהזנת אבקה סינכרונית והמסת לייזר, מדגימה יתרונות ייחודיים בתיקון חלקים פגומים ובייצור רכיבים מבניים בקנה מידה גדול, כמו גם חומרים בעלי דירוג קומפוזיציה. עם זאת, סגסוגות אלומיניום נתקלות בשורה של אתגרים פיזיים-מתכתיים מהותיים במהלך ייצור תוסף לייזר. בטמפרטורת החדר, סגסוגות אלומיניום מציגות רפלקטיביות העולה על 90% עבור לייזרים אינפרא אדום קרובים-(אורך גל: 1070 ננומטר), וכתוצאה מכך יעילות צימוד אנרגטית נמוכה ביותר ומחייבת לייזרים בצפיפות-הספק- גבוהה כדי ליצור בריכת התכה יציבה. משטחי סגסוגת אלומיניום יוצרים בקלות סרט תחמוצת צפוף (Al₂O₃) עם נקודת התכה של 2072 מעלות -גבוהה משמעותית מנקודת ההיתוך של 660 מעלות של מטריצת האלומיניום; שברים של סרט תחמוצת זה לרוב אינם מצליחים להימס לחלוטין בתוך בריכת ההיתוך, ולעתים קרובות משמשים כאתרי התחלת סדקים וחוסר-פגמי-היתוך. אפילו יותר קריטי, המסיסות של מימן באלומיניום נוזלי (כ. 0.7 cm³/100g) גבוהה בהרבה מאשר באלומיניום מוצק (כ. 0.04 cm³/100g); במהלך התמצקות מהירה, אטומי מימן על-רוויים אינם יכולים להתפזר החוצה בזמן ובמקום זאת להצטבר בממשק הנוזל המוצק כדי ליצור גרעיני בועות, ובסופו של דבר מותירים מאחוריהם נקבוביות מתכות בעלות קוטר של כמה עד כמה עשרות מיקרומטרים בתוך המיקרו-מבנה המוצק. בינתיים, טווח טמפרטורות ההתמצקות הרחב (למשל, העולה על 150 מעלות עבור Al7075) והתכווצות ההתמצקות המשמעותית (כ-6%) של סגסוגות אלומיניום הופכים אותן לרגישות מאוד לנקבוביות התכווצות התמצקות ולפיצוח חם ברגע שתעלות ההזנה נסגרות בשלבים האחרונים של התמצקות בריכת ההיתוך; בעיות אלו מייצגות אתגרי ליבה בעיבוד ה-LPBF של סגסוגות אלומיניום מסדרות 2xxx ו-7xxx חוזק גבוה. המאפיינים הקיצוניים של מחזוריות תרמית הטבועות בייצור תוספים בלייזר-הכוללים טמפרטורות מקומיות של בריכת נמס העולות על 2000 מעלות לצד טמפרטורות אבקה ומצע שמסביב, הנעות מטמפרטורת החדר ל-200 מעלות, וכתוצאה מכך שיפועי טמפרטורה גבוהים כמו 10⁶ K/m} יוצר מתח בתוך שדה הרכיב המורכב{50}; אם נותרים בלתי נשלטים, הלחצים הללו עלולים להוביל לעיוות, דפורמציה או אפילו פיצוח בין השכבות.
02 עיצוב קומפוזיציה - ברמת עיצוב הקומפוזיציה, מערכות סגסוגת המשמשות באופן מסורתי ליציקה ולפרזול אינן מתאימות לרוב לייצור תוסף. אם לוקחים את סגסוגת AlSi10Mg כדוגמה, ההרכב האאוטקטי כמעט- שלה מעניק נזילות מעולה במהלך היציקה; עם זאת, בתנאי ההתמצקות המהירים של LPBF, רשת שלב הסיליקון האוטקטי הגסה פועלת כמקור לריכוז מתח. יתר על כן, חוזק המתיחה של הסגסוגת ב-300 מעלות צונח לכ-10% מעוצמת -טמפרטורת החדר-, תופעה המיוחסת להתגבשות המהירה והתמוססות של המיקרו-מבנה האוטקטי בטמפרטורות גבוהות. כתוצאה מכך, פיתוח מערכות מיוחדות של הרכב סגסוגת אלומיניום המותאמות למאפיינים של ייצור תוסף הפך למוקד מחקר מרכזי בתחום.
מחקר של המכון לטכנולוגיה ירוקה וחכמה של צ'ונגצ'ינג, האקדמיה הסינית למדעים, מגלה שהוספת כמויות עקבות של Sc (0.2–0.4 wt%) ו-Zr (0.1–0.3 wt%) לסגסוגות Al-Mg מאפשרת היווצרות *במקום* של Al₃(Sc,Zr) ראשוני בקנה מידה ננומטרי במהלך תהליך מהיר של מבנה מוצק של L₃(Sc,Zr) Laser Powder Bed Fusion (LPBF). שלבים אלו מציגים חוסר התאמה סריג נמוך במיוחד (כ-1.3%) עם מטריצת ה--Al ומשמשים כאתרי גרעין הטרוגניים יעילים ביותר, ומעדנים גדלי גרגרים מעשרות מיקרומטרים ועד לסולם התת--מיקרומטר. המחקר מצביע על כך שסגסוגת ה-Al-בנויה Al-Mg-Mn-Sc-Zr מציגה מבנה גרגר דו-מודאלי אופייני: אזור של גרגירים עדינים שוו-צירים (גודל ממוצע ~1.04 מיקרומטר) באזור ההמסה של בריכות עמודים 1 ו-2. מיקרומטר) גדל לאורך כיוון הבנייה במרכז בריכת ההיתוך. מבנה גרגר הטרוגני זה נובע משונות מרחביות בשיפועי טמפרטורה וצפיפות גרעין בתוך בריכת ההיתוך; הקצוות כוללים שיפוע טמפרטורה גבוה והעשרה של שלבי Al₃(Sc,Zr) ראשוניים, המקדמים גרעין הטרוגני, בעוד שהמרכז מאופיין בשיפוע טמפרטורה כיווני חזק המעדיף צמיחת גבישים אפיטקסיאלית לאורך כיוון פיזור החום המרבי. יש לציין שבעוד Sc יקר (כ-3,000 דולר לק"ג), Zr זול יחסית (כ-30 דולר לק"ג); התוספת המשולבת של אלמנטים אלה יוצרת מבנה Al₃Sc-core/Al₃Zr-שלא רק משפר משמעותית את היציבות התרמית של שלבי החיזוק אלא גם מפחית ביעילות את עלויות הסגסוגת. בינתיים, צוות מאוניברסיטת שנגחאי ג'יאו טונג הציע אסטרטגיית עיצוב חדשנית המבוססת על ננו-פיגום אוטקטי ניתן לשינוי-. הם בחרו מערכת כמעט-אווטקטית Al-Er (12.7%% Er) בתור סגסוגת הדגם, תוך ניצול היווצרות של שלב ה-L1₂-מובנה Al₃Er-שמפגין חוסר התאמה של סריג של 3.96% בלבד עם {{37} מערכות סליקה ו-high-bundant. במהלך תהליך ההדפסה של LPBF, Al₃Er משקע בשבריר נפח של כ-10.3% בצורה של שלד ננו תלת-ממדי רציף-; השלד הזה לא רק עומד בפני מתחים גבוהים העולה על 1300 MPa אלא גם מקל על התאמה פלסטית במהלך דפורמציה באמצעות היווצרות של תאומים דפורמציה ומבנים מסודרים-לאורך תקופה 9R, ובכך מבטל מהיסוד את ההשקפה המקובלת לפיה שלדים אוטקטיים הם שבירים מטבעם. סגסוגת Al-Er-כמו-מודפסת Mg (RAE700) מציגה חוזק תפוקה של 632 MPa, אשר עולה ל-707 MPa לאחר יישון ישיר תוך שמירה על התארכות של 7-10%, וכתוצאה מכך עולה על כל פרופיל ביצועים מקיף שדווח בעבר על 5} סגסוגות. בנוסף, צוות מחקר באוניברסיטת נאגויה פיתח סדרת סגסוגת Al-Fe-Mn-Ti המבוססת על אסטרטגיית "בקרת מחיצות אלמנטים"; על ידי הוספת Cu ו-Mn כדי לייצב את שלב Al₆Fe ולהפוך אותו לשלב חיזוק מועיל-במקביל החדרת Ti שמתחלקת לשלב המוצק כדי לעדן גרגרים ל-2.3 מיקרומטר בערך-הסגסוגת משיגה טמפרטורה-בטמפרטורה של חוזק מתיחה באורך של 190 MP של %a,190 מאפיינים שנותרו כמעט ללא שינוי לאחר 100 שעות של חשיפה תרמית ב-300 מעלות.
