Hợp kim nhẹ của nhôm (Al), magiê (Mg) và titan (Ti) ngày càng được sử dụng trong ngành vận tải và sản xuất để giảm tiêu thụ năng lượng cũng như lượng khí thải carbon. Hình 1 (DuckerFrontier, 2020) cho thấy việc sử dụng Al trong lĩnh vực ô tô đã có sự tăng trưởng vượt bậc; từ 84 pound/xe vào năm 1975 lên 459 pound vào năm 2020 và dự kiến 570 pound vào năm 2030, với phần lớn Al được sử dụng là đúc. Tất cả các lĩnh vực sản xuất hợp kim nhẹ đều có sự tăng trưởng đáng kể và đặc biệt là ngành công nghiệp đúc kim loại.
Việc đúc kim loại (vàng) đầu tiên thực sự có thể được truy nguyên vào khoảng năm 4000 TCN, mặc dù một con ếch bằng đồng là vật đúc lâu đời nhất hiện có, có niên đại vào khoảng năm 3200 TCN (Olsen, 2020). Các công nghệ đúc hiện đại đang cung cấp các bộ phận trong hầu hết mọi ứng dụng công nghiệp, mặc dù sự hóa rắn là điểm khởi đầu cho mọi sản phẩm rèn hoặc bột để sản xuất hạ nguồn. Sản lượng đúc kim loại toàn cầu hàng năm vào khoảng 109 triệu tấn (metric tons) vào năm 2019, bao gồm khoảng 17.205.447 tấn (MT) nhôm và 60.138 MT magiê (Báo cáo của nhân viên, 2021). Năm quốc gia sản xuất đúc hàng đầu là Trung Quốc, Ấn Độ, Hoa Kỳ, Nhật Bản và Đức. Ngành công nghiệp đúc kim loại là một trụ cột nền tảng cho hầu hết mọi hoạt động sản xuất và các công nghệ đúc hợp kim nhẹ rất quan trọng đối với sự bền vững của ngành công nghiệp sản xuất và vận tải trên toàn thế giới.
Hợp kim Al, Mg và Ti đúc thông thường và các quy trình nấu chảy và đúc của chúng được ghi chép đầy đủ trong các sổ tay ASM (Avedesian và Baker, 1999, Viswanathan et al., 2008, Anderson et al., 2018), và một số chuyên khảo về nhôm (Kaufman và Rooy, 2004), magiê (Sahoo, 2011) và titan (Lütjering và Williams, 2007). Các nguyên tắc cơ bản về hóa rắn cho hợp kim đúc và các công nghệ quy trình đúc thông thường đã được ghi lại trong một số cuốn sách được xuất bản từ những năm 1960 (Chalmers, 1964, Flemings, 1974, Kurz và Fisher, 1984, Stefanescu, 2002, Dantzig và Rappaz, 2009). Do đó, các hợp kim đúc thông thường và các kỹ thuật quy trình đúc không được xem xét trong bài viết này. Một đánh giá gần đây của Campbell (2020) đã cung cấp một đánh giá quan trọng về các quy trình đúc khác nhau về mặt hình thành khuyết tật, đặc biệt là màng hai lớp và vết nứt trong vật đúc cũng như các ảnh hưởng tiêu cực của chúng đến các tính chất cơ học của vật đúc.
Ở đây, chúng tôi cung cấp một đánh giá toàn diện và quan trọng về những phát triển và đổi mới đã xuất hiện trong hai thập kỷ qua trong thiết kế hợp kim nhẹ, công nghệ đúc và các quy trình dựa trên sự hóa rắn mới nổi, tập trung vào cải tiến quy trình để khắc phục một số vấn đề cơ bản liên quan đến sự hình thành khuyết tật trong các quy trình đúc thông thường. Ngoài ra, chúng tôi xem xét các xu hướng trong tương lai như mô phỏng đúc, thiết kế và sản xuất đa vật liệu, sản xuất bồi đắp và các ứng dụng của Kỹ thuật Vật liệu Tính toán Tích hợp (ICME) trong thiết kế hợp kim, sản xuất và phát triển sản phẩm.
