中國團隊顛覆3D打印極限！室溫 865MPa、耐 400℃ 鋁合金誕生

來源：AM Letters

中國科學家突破 3D 打印鋁合金極限，打造超高強度耐熱新材料！近日，中國科學院金屬研究所團隊在《材料科學與技術》期刊發(fā)表重磅研究成果，宣布通過激光粉末床融合（ LPBF ，即金屬 3D 打印）技術成功制備出一種名為 Al-Fe-V-Si-Sc 的新型鋁合金。該材料不僅室溫下抗拉強度高達 865 兆帕，更在 400 ℃高溫下仍保持優(yōu)異性能，填補了傳統(tǒng)鋁合金在 200-450 ℃溫區(qū)的技術空白，為航空航天及汽車工業(yè)輕量化發(fā)展提供了全新解決方案。

技術突破：微合金設計與激光打印協(xié)同發(fā)力
研究團隊創(chuàng)新性地在 Al-Fe-V-Si 合金中添加微量鈧（ Sc ）元素，并利用 LPBF 技術超高速冷卻（達 10⁷ K/s ）的特性，成功抑制了材料在打印過程中常見的熱裂紋缺陷。通過優(yōu)化激光功率、掃描速度等參數(shù)，團隊實現(xiàn)了 99.9% 的致密度，攻克了高強鋁合金 3D 打印易開裂的行業(yè)難題。

微觀結構分析顯示，材料內(nèi)部形成了獨特的 “非晶 / 晶體復合結構”：熔池中心因極速冷卻形成非晶態(tài)帶狀網(wǎng)絡，邊界則分布著 Al8Fe2Si、Al10V 等多種納米級析出相。

鈧元素的加入進一步促使 Al3Sc 界面相生成，有效阻止高溫下納米顆粒的粗化，使材料兼具超高強度和熱穩(wěn)定性。

性能卓越：室溫至高溫全面領先
實驗數(shù)據(jù)顯示，該合金室溫下抗拉強度高達 865 兆帕、硬度達 360 HV ，抗拉強度較現(xiàn)有 3D 打印鋁合金提升約 30% ，且高溫性能表現(xiàn)尤為突出—— 400 ℃時仍保有 450 兆帕的抗拉強度，遠超傳統(tǒng)鋁合金及部分鈦合金。這種多尺度相協(xié)同強化的設計思路，為未來高性能增材制造材料開發(fā)提供了新范式。

應用前景：復雜構件一體化成型
研究還展示了該合金在復雜格柵結構零件制造中的潛力。由于 LPBF 技術可實現(xiàn)材料-結構-性能一體化成型，該合金有望直接用于發(fā)動機耐熱部件、航天器輕量化支架等關鍵領域，大幅降低加工成本并提升設計自由度。

目前，正進一步探索該合金的規(guī)模化制備工藝及長期熱穩(wěn)定性驗證。此項突破不僅推動了鋁合金在極端環(huán)境下的應用邊界，更為我國高端裝備制造提供了自主可控的材料技術儲備。

主要附圖

圖1 (a) 高速相機捕捉的不同熱輸入條件下熔池堆疊圖像 (b) 優(yōu)化參數(shù)制備的樣品三維金相圖 (c) 復雜格柵結構樣品的宏觀形貌 (d) 平行于構建方向的樣品SEM圖像 (e) 熔池中心局部放大SEM圖像 (f) 熔池邊界局部放大SEM圖像 (g) 反極圖（IPF）顯示沿構建方向延伸的細長柱狀晶 (h) 晶界分布圖 (i) 核平均取向差（KAM）圖

圖 2 (a) 熔池中心的 TEM 圖像，顯示帶狀相網(wǎng)絡結構 (b) 復合結構的 EDS 元素分布圖 (c) 相界面的高分辨 TEM 圖像及 FFT 衍射花樣 (d) 原子探針斷層掃描重建的 Fe/Si 富集帶 (e) 圓柱區(qū)域的元素一維濃度分布 (f) 非晶帶形成機制示意圖

圖 3 (a) 熔池邊界的 TEM 圖像及析出相分布 (b-c) HADDF 圖像及元素分布 (d-g) 析出相的 HRTEM 及 FFT 分析（對應 Al₈Fe₂Si、Al₁₀V、Al₆Fe、Al₃Sc相） (h) 熔池不同區(qū)域的冷卻速率模擬及析出相分布示意圖

圖 4 (a) 熔池中心與邊界的硬度分布 (b) 不同溫度下的工程應力 - 應變曲線 (c) 室溫抗拉強度與現(xiàn)有 LPBF 鋁合金對比 (d) 高溫抗拉強度與同類材料對比

圖 5 (a,d) 300 ℃ /400 ℃拉伸測試后熔池邊界的納米析出相 (b,e) 300 ℃ /400 ℃拉伸測試后熔池中心的非晶網(wǎng)絡 (c,f) 非晶相的高分辨 TEM 及 FFT 分析

AMLetters 點評

1. 三項關鍵技術突破：

非晶 / 晶體復合結構： 激光粉末床融合（ LPBF ）的極速冷卻（ 10 ⁷ K/s ）使熔池中心形成非晶態(tài)網(wǎng)絡，通過阻礙位錯運動提升強度。

多尺度析出相協(xié)同強化： 熔池邊界分布的Al₈Fe₂Si、Al₁₀V等納米析出相(10-100 nm)通過奧羅萬機制強化基體，而Al₃Sc 界面相抑制高溫下顆粒粗化。

鈧元素的晶界調(diào)控： Sc 元素細化晶粒并釘扎晶界，顯著降低熱裂紋敏感性。

啟示： 3D 打印的非平衡加工特性成為解鎖材料性能的關鍵，而非傳統(tǒng)認知中的“工藝缺陷”。

2. 工程化應用的潛在挑戰(zhàn)

盡管實驗室數(shù)據(jù)亮眼，大規(guī)模應用仍需解決以下問題：

成本瓶頸： 鈧（ Sc ）作為稀有金屬，價格高昂（約 1.5 萬元 / 公斤），亟需開發(fā)低成本替代方案或回收技術。

工藝穩(wěn)定性： 實驗室級參數(shù)（如激光功率 275 W 、掃描速度 1600 mm/s ）在量產(chǎn)中易受粉末流動性、設備波動影響，致密度可能下降。

長期熱穩(wěn)定性： 400 ℃下短期強度優(yōu)異，但航空發(fā)動機等場景需驗證 5000 小時以上的高溫耐久性，目前數(shù)據(jù)尚未覆蓋。

思考：這與高溫合金、碳纖維等材料的產(chǎn)業(yè)化路徑相似 ——從實驗室到工程化，往往需要跨越“最后一公里”的技術鴻溝。

3. 技術顛覆性與行業(yè)影響

設計自由度提升： LPBF 允許在零件內(nèi)部定向調(diào)控非晶 / 納米相分布，未來或?qū)崿F(xiàn)“應力集中區(qū)強化 + 輕量化區(qū)域減薄”的一體化設計。

替代鈦合金的潛力： 若該合金替代航空鈦合金部件，可減重 20%-30% ，僅燃油效率提升一項，單架客機年省成本超百萬美元。

國產(chǎn)化意義： 我國 部分高端材料 長期依賴進口， 近年來借助國內(nèi)增材制造技術的快速發(fā)展，部分領域有彎道超車之勢，該材料就是一個典型案例， 此項技術突破為航天、核電等領域提供了自主可控的新選項。