رویکردی نوین برای ساخت آلیاژهای آلومینیوم

ساخت افزایشی فلزات (به‌ویژه فرآیند LPBF) فرصت‌های بزرگی برای تولید قطعات و مقاطع آلومینیومی پیچیده فراهم کرده است، اما بسیاری از آلیاژهای کارپذیر سنتی آلومینیوم در این فرآیند به‌دلیل حساسیت بالا به ترک داغ قابل تولید نیستند. مقاله‌ی Rojas-Arias و همکاران در Materials Science and Engineering A (2025) یک رویکرد جدید برای طراحی آلیاژهای آلومینیوم ارائه می‌دهد که مدل‌سازی ترمودینامیکی (CALPHAD) را با آزمایش‌های لیزر-ریملت ترکیب می‌کند تا آلیاژهایی بر پایه‌ی AA2017 طراحی شوند که هم قابل تولید باشند، هم خواص مکانیکی بالایی ارائه دهند.

این مقاله تخصصی از دانشنامه آلومینیوم ایراک، منطق این رویکرد، مراحل طراحی، نتایج ریزساختاری و مکانیکی و پیامدهای آن برای صنعت را به‌صورت تحلیلی برای مهندسان و پژوهشگران توضیح می‌دهد.

۱. مشکل «ترک داغ» در ساخت افزایشی آلومینیوم

در سال‌های اخیر، ساخت افزایشی (Additive Manufacturing) و به‌ویژه فناوری Laser Powder Bed Fusion (LPBF) به یکی از مهم‌ترین ابزارهای تولید قطعات پیچیده آلومینیومی تبدیل شده است؛ از قطعات هوافضایی تا سامانه‌های خنک‌کاری پیچیده در خودروسازی.

اما مشکل اصلی این است که بسیاری از آلیاژهای کارپذیر کلاسیک – مثل خانواده‌های سری 2000 آلومینیوم و سری 7000 آلومینیوم در فرآیند LPBF دچار ترک داغ (Hot Cracking) می‌شوند؛ به‌گونه‌ای که حتی اگر ترکیب آن‌ها از نظر مقاومت و استحکام جذاب باشد، عملاً “قابل تولید” نیستند.

شاخص‌های سنتی مانند:

• Freezing Range
• Hot Cracking Susceptibility Index
• Critical Temperature Range

بر پایه مدل Scheil–Gulliver توسعه یافته‌اند و بیشتر رفتار انجماد را توصیف می‌کنند، نه ترکیب پیچیده‌ی انجماد + تنش‌های شدید حرارتی و مکانیکی که حین LPBF ایجاد می‌شود.

همین نقطه، جایی است که مقاله‌ی “A novel approach for tailoring aluminum alloys for additive manufacturing” اثر Rojas-Arias و همکاران (۲۰۲۵) وارد می‌شود و یک چارچوب جدید پیشنهاد می‌کند.

۲. ترکیب محاسبات ترمودینامیکی و لیزر-ریملت

۲.۱. انتخاب آلیاژ پایه: AA2017

نویسندگان مقاله، آلیاژ AA2017 را به‌عنوان نقطه شروع انتخاب کرده‌اند؛ آلیاژی از خانواده‌ی Al–Cu–Mg–Mn که در حالت کارپذیر خواص مکانیکی خوبی دارد اما برای LPBF مستعد ترک داغ است. هدف، اصلاح ترکیب AA2017 به‌گونه‌ای است که:

• حساسیت به ترک داغ کاهش یابد،
• ساختار انجماد برای LPBF مناسب‌تر شود،
• و در عین حال، استحکام مکانیکی در سطح بالا حفظ شود.

۲.۲. غربالگری ترکیب‌ها با CALPHAD و مدل Scheil

در مرحله‌ی اول، صدها ترکیب در اطراف ترکیب اسمی AA2017 با استفاده از ابزارهای CALPHAD و مدل Scheil–Gulliver شبیه‌سازی شده‌اند. برای هر ترکیب:

• منحنی‌های دما–کسر مایع استخراج شده،
• تشکیل فازهای ثانویه در محدوده‌ی نزدیک پایان انجماد بررسی شده،
• و شاخص‌های حساسیت به ترک داغ (HCS) بر اساس توزیع جامد–مایع و شبکه‌ی مایع میان‌دانه‌ای محاسبه شده‌اند.

در این غربالگری، ترکیب‌هایی که:

• بازه‌ی انجماد بسیار وسیع،
• یا حضور فازهای ترد و دوفازی نامطلوب در مرزدانه‌ها داشتند،

حذف شدند و نهایتاً ۹ ترکیب کاندید برای آزمون‌های تجربی انتخاب گردید.

۲.۳. لیزر-ریملت: پل بین شبیه‌سازی و واقعیت LPBF

برای آن‌که فقط به محاسبات اعتماد نشود، نویسندگان از آزمایش‌های لیزر-ریملت (Laser Remelting) به‌عنوان یک مدل ساده‌شده LPBF استفاده کرده‌اند:

• روی نمونه‌های ریختگی/نوردی آلیاژهای کاندید، مسیرهای لیزری با پارامترهای نزدیک به LPBF اجرا شده،
• مقاطع عرضی و سطحی با میکروسکوپ نوری و SEM بررسی شده،
• وجود یا عدم وجود ترک داغ و حفرات انقباضی ارزیابی شده است.

ترکیب‌هایی که همچنان ترک‌های داغ واضح نشان می‌دادند، کنار گذاشته شده و در نهایت یک ترکیب بهینه با رفتار انجماد مناسب و عدم مشاهده ترک در لیزر-ریملت انتخاب شده است.

۳. ساخت افزایشی آلیاژ اصلاح‌شده و ارزیابی نتایج

۳.۱. تولید پودر و تولید LPBF

پس از انتخاب ترکیب نهایی، آلیاژ اصلاح‌شده به‌صورت پودر توسط گازاتومایزیشن (Gas Atomization) تولید و در دستگاه LPBF برای ساخت نمونه‌های مکعبی، استاندارد کشش و نمونه‌های ریزساختاری استفاده شده است.

پارامترهای اصلی فرآیند شامل: توان لیزر، سرعت اسکن، ضخامت لایه و استراتژی مسیر اسکن به‌گونه‌ای تنظیم شده‌اند که هم قابل قیاس با شرایط صنعتی باشند و هم برای مطالعه‌ی علمی قابل تکرار.

۳.۲. ریزساختار و عیوب

نتایج ریزساختاری نشان می‌دهد:

• ساختار نهایی آلیاژ تولید شده عمدتاً سلولی/دندریتی ریز در مقیاس میکرون است؛
• توزیع فازهای بین‌فلزی ثانویه کنترل‌شده‌تر از AA2017 کلاسیک است؛
• در مقاطع عرضی نمونه‌های LPBF، ترک داغ مشاهده نشده یا در سطح بسیار محدود و غیرپیوسته است؛
• تخلخل کلی در محدوده‌ی قابل قبول برای قطعات مهندسی قرار دارد.

این نتایج نشان می‌دهد که ترکیب اصلاح‌شده، واقعاً از نظر “قابلیت تولید” برتر از آلیاژ پایه است.

۳.۳. خواص مکانیکی

آزمون‌های کشش و سختی روی نمونه‌های تولید شده نشان داده‌اند که:

• استحکام تسلیم و کششی، قابل مقایسه یا بالاتر از آلیاژهای AlSi10Mg (به‌عنوان مرجع استاندارد AM) است؛
• شکل‌پذیری در حدی است که برای بسیاری از کاربردهای سازه‌ای قابل قبول باشد؛
• با عملیات حرارتی تکمیلی، امکان بهبود بیشتر خواص مکانیکی وجود دارد.

به‌عبارت دیگر، آلیاژ اصلاح‌شده نه‌تنها قابل تولید است، بلکه از نظر خواص مکانیکی نیز در کلاس آلیاژهای مهندسی قرار می‌گیرد.

۴. اهمیت روش: از «آلیاژ موجود» تا «آلیاژِ قابل تولید»

یکی از نقاط قوت این مقاله، فلسفه‌ی طراحی آن است:

1. به‌جای طراحی یک سیستم آلیاژی کاملاً جدید و غیرصنعتی، از یک آلیاژ صنعتی شناخته‌شده (AA2017) شروع می‌کند؛
2. با استفاده از CALPHAD و مدل Scheil، فضای ترکیب اطراف آلیاژ را به‌صورت سیستماتیک می‌کاود؛
3. با آزمایش‌های لیزر-ریملت، میدان تنش واقعی و رفتار ترک‌داغ را وارد تصمیم‌گیری می‌کند؛
4. نهایتاً، ترکیبی را انتخاب و در LPBF تولید می‌کند که در عمل ثابت می‌کند روش طراحی، کارآمد است.

این رویکرد، یک “قالب کاری” (Framework) برای طراحی آلیاژهای مخصوص AM ارائه می‌دهد که قابل تعمیم به:

• آلیاژهای Al–Si،
• آلیاژهای Al–Mg–Sc،
• و حتی سیستم‌های پیچیده‌تر مانند آلیاژهای حاوی عناصر خاکی کمیاب (Rare Earth) است.

۵. پیامدها برای صنعت و پژوهش

از منظر صنعتی، این کار نشان می‌دهد که:

• بسیاری از آلیاژهای سنتی، اگر به‌درستی بازطراحی شوند، می‌توانند در ساخت افزایشی استفاده شوند؛
• نیازی نیست همیشه به سراغ سیستم‌های کاملاً جدید و پرریسک برویم؛
• می‌توان با تلفیق شبیه‌سازی و آزمایش‌های هدفمند، مسیری کوتاه‌تر و کم‌هزینه‌تر برای توسعه آلیاژهای «قابل تولید» طی کرد.

از منظر پژوهش، این مقاله نشان می‌دهد که:

• مدل‌های کلاسیک مانند Scheil–Gulliver هنوز مفیدند، اما باید با اطلاعات فرایندی (lasers, stresses, melt pool) تکمیل شوند؛
• روش‌های مشابه این کار را می‌توان با یادگیری ماشین و بهینه‌سازی چندهدفه ترکیب کرد تا طراحی آلیاژ برای AM را به سطح جدیدی برسانیم.

۶. جمع‌بندی

رویکرد Rojas-Arias و همکاران یک پیام روشن دارد:

برای داشتن آلیاژ آلومینیومی قابل تولید در AM، کافی نیست فقط به جدول ترکیب نگاه کنیم؛
باید انجماد، فازها، تنش‌های فرایندی و پاسخ واقعی به لیزر را در کنار هم ببینیم.

این کار، راهی برای تبدیل آلیاژهای کارپذیر موجود به آلیاژهای «قابل تولید» باز می‌کند و می‌تواند برای شرکت‌هایی مانند ایراک، که در آینده به سمت پروفیل‌ها و قطعات آلومینیومی مبتنی‌بر ساخت افزایشی می‌روند، یک مرجع مهم طراحی باشد.

فهرست منابع علمی

1. Rojas-Arias, N., Coury, F.G., Amancio-Filho, S.T., Gargarella, P. (2025). A novel approach for tailoring aluminum alloys for additive manufacturing. Materials Science and Engineering A, 931, 148179.
2. Rojas-Arias, N. et al. (2024). Heat treating additive-manufactured alloys: A comprehensive review. Journal of Alloys and Compounds, 1005, 176035.
   
3. Letyagin, N.V. et al. (2025). Characteristics of Laser-Remelted Al–Ca–Cu–Mn (Zr) Alloys as a New Material for Additive Manufacturing. Journal of Manufacturing and Materials Processing, 9(7), 242.
   
4. Elambasseril, J. et al. (2022). Effect of process parameters and grain refinement on hot tearing susceptibility of high strength aluminum alloy 2139 in laser powder bed fusion. Progress in Additive Manufacturing, 7, 887–901.
   
5. Sheikh, S. et al. (2023). An Automated Fully-Computational Framework to Construct Printability Maps for Additively Manufactured Metal Alloys. arXiv:2304.04113.
   

به اطلاعات تخصصی بیشتری نیاز دارید؟
با ما تماس بگیرید تا درباره‌ی راهکارهای خلاقانه در صنعت آلومینیوم اطلاعات بیشتری کسب کنید.