中國團(tuán)隊(duì)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(xué)家突破 3D 打印鋁合金極限，打造超高強(qiáng)度耐熱新材料！近日，中國科學(xué)院金屬研究所團(tuán)隊(duì)在《材料科學(xué)與技術(shù)》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�。┘夹g(shù)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(qiáng)度高達(dá) 865 兆帕，更在 400 ℃高溫下仍保持優(yōu)異性能，填補(bǔ)了傳統(tǒng)鋁合金在 200-450 ℃溫區(qū)的技術(shù)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(shù)突破：微合金設(shè)計(jì)與激光打印協(xié)同發(fā)力
研究團(tuán)隊(duì)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(shù)超高速冷卻（達(dá) 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(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了 99.9% 的致密度，攻克了高強(qiáng)鋁合金 3D 打印易開裂的行業(yè)難題。

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

鈧元素的加入進(jìn)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(qiáng)度和熱穩(wěn)定性。

性能卓越：室溫至高溫全面領(lǐng)先
實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，該合金室溫下抗拉強(qiáng)度高達(dá) 865 兆帕、硬度達(dá) 360 HV ，抗拉強(qiáng)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(shí)仍保有 450 兆帕的抗拉強(qiáng)度，遠(yuǎn)超傳統(tǒng)鋁合金及部分鈦合金。這種多尺度相協(xié)同強(qiáng)化的設(shè)計(jì)思路，為未來高性能增材制造材料開發(fā)提供了新范式。

應(yīng)用前景：復(fù)雜構(gòu)件一體化成型
研究還展示了該合金在復(fù)雜格柵結(jié)構(gòu)零件制造中的潛力。由于 LPBF 技術(shù)可實(shí)現(xiàn)材料-結(jié)構(gòu)-性能一體化成型，該合金有望直接用于發(fā)動(dòng)機(jī)耐熱部件、航天器輕量化支架等關(guān)鍵領(lǐng)域，大幅降低加工成本并提升設(shè)計(jì)自由度。

目前，正進(jìn)一步探索該合金的規(guī)�；�制備工藝及長期熱穩(wěn)定性驗(yàn)證。此項(xiàng)突破不僅推動(dòng)了鋁合金在極端環(huán)境下的應(yīng)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(shù)儲(chǔ)備。

主要附圖

圖1 (a) 高速相機(jī)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(fù)雜格柵結(jié)構(gòu)樣品的宏觀形貌 (d) 平行于構(gòu)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(gòu)建方向延伸的細(xì)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(luò)結(jié)構(gòu) (b) 復(fù)合結(jié)構(gòu)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(jī)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(duì)應(yīng) 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(yīng)力 - 應(yīng)變曲線 (c) 室溫抗拉強(qiáng)度與現(xiàn)有 LPBF 鋁合金對(duì)比 (d) 高溫抗拉強(qiáng)度與同類材料對(duì)比

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

AMLetters 點(diǎn)評(píng)

1. 三項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)突破：

非晶 / 晶體復(fù)合結(jié)構(gòu)： 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(luò)，通過阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)提升強(qiáng)度。

多尺度析出相協(xié)同強(qiáng)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(jī)制強(qiáng)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(xì)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(guān)鍵，而非傳統(tǒng)認(rèn)知中的“工藝缺陷”。

2. 工程化應(yīng)用的潛在挑戰(zhàn)

盡管實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)亮眼，大規(guī)模應(yīng)用仍需解決以下問題：

成本瓶頸： 鈧（ Sc ）作為稀有金屬，價(jià)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(shù)。

工藝穩(wěn)定性： 實(shí)驗(yàn)室級(jí)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(dòng)性、設(shè)備波動(dòng)影響，致密度可能下降。

長期熱穩(wěn)定性： 400 ℃下短期強(qiáng)度優(yōu)異，但航空發(fā)動(dòng)機(jī)等場(chǎng)景需驗(yàn)證 5000 小時(shí)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(shí)驗(yàn)室到工程化，往往需要跨越“最后一公里”的技術(shù)鴻溝。

3. 技術(shù)顛覆性與行業(yè)影響

設(shè)計(jì)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(yīng)力集中區(qū)強(qiáng)化 + 輕量化區(qū)域減薄”的一體化設(shè)計(jì)。

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(xiàng)，單架客機(jī)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(jìn)口， 近年來借助國內(nèi)增材制造技術(shù)的快速發(fā)展，部分領(lǐng)域有彎道超車之勢(shì)，該材料就是一個(gè)典型案例， 此項(xiàng)技術(shù)突破為航天、核電等領(lǐng)域提供了自主可控的新選項(xiàng)。