中国团队颠覆3D打印极限！室温 865MPa、耐 400℃ 铝合金诞生

来源：AM Letters

中国科学家突破 3D 打印铝合金极限，打造超高强度耐热新材料！近日，中国科学院金属研究所团队在《材料科学与技术》期刊发表重磅研究成果，宣布通过激光粉末床融合（ LPBF ，即金属 3D 打印）技术成功制备出一种名为 Al-Fe-V-Si-Sc 的新型铝合金。该材料不仅室温下抗拉强度高达 865 兆帕，更在 400 ℃高温下仍保持优异性能，填补了传统铝合金在 200-450 ℃温区的技术空白，为航空航天及汽车工业轻量化发展提供了全新解决方案。

技术突破：微合金设计与激光打印协同发力
研究团队创新性地在 Al-Fe-V-Si 合金中添加微量钪（ Sc ）元素，并利用 LPBF 技术超高速冷却（达 10⁷ K/s ）的特性，成功抑制了材料在打印过程中常见的热裂纹缺陷。通过优化激光功率、扫描速度等参数，团队实现了 99.9% 的致密度，攻克了高强铝合金 3D 打印易开裂的行业难题。

微观结构分析显示，材料内部形成了独特的 “非晶 / 晶体复合结构”：熔池中心因极速冷却形成非晶态带状网络，边界则分布着 Al8Fe2Si、Al10V 等多种纳米级析出相。

钪元素的加入进一步促使 Al3Sc 界面相生成，有效阻止高温下纳米颗粒的粗化，使材料兼具超高强度和热稳定性。

性能卓越：室温至高温全面领先
实验数据显示，该合金室温下抗拉强度高达 865 兆帕、硬度达 360 HV ，抗拉强度较现有 3D 打印铝合金提升约 30% ，且高温性能表现尤为突出—— 400 ℃时仍保有 450 兆帕的抗拉强度，远超传统铝合金及部分钛合金。这种多尺度相协同强化的设计思路，为未来高性能增材制造材料开发提供了新范式。

应用前景：复杂构件一体化成型
研究还展示了该合金在复杂格栅结构零件制造中的潜力。由于 LPBF 技术可实现材料-结构-性能一体化成型，该合金有望直接用于发动机耐热部件、航天器轻量化支架等关键领域，大幅降低加工成本并提升设计自由度。

目前，正进一步探索该合金的规模化制备工艺及长期热稳定性验证。此项突破不仅推动了铝合金在极端环境下的应用边界，更为我国高端装备制造提供了自主可控的材料技术储备。

主要附图

图1 (a) 高速相机捕捉的不同热输入条件下熔池堆叠图像 (b) 优化参数制备的样品三维金相图 (c) 复杂格栅结构样品的宏观形貌 (d) 平行于构建方向的样品SEM图像 (e) 熔池中心局部放大SEM图像 (f) 熔池边界局部放大SEM图像 (g) 反极图（IPF）显示沿构建方向延伸的细长柱状晶 (h) 晶界分布图 (i) 核平均取向差（KAM）图

图 2 (a) 熔池中心的 TEM 图像，显示带状相网络结构 (b) 复合结构的 EDS 元素分布图 (c) 相界面的高分辨 TEM 图像及 FFT 衍射花样 (d) 原子探针断层扫描重建的 Fe/Si 富集带 (e) 圆柱区域的元素一维浓度分布 (f) 非晶带形成机制示意图

图 3 (a) 熔池边界的 TEM 图像及析出相分布 (b-c) HADDF 图像及元素分布 (d-g) 析出相的 HRTEM 及 FFT 分析（对应 Al₈Fe₂Si、Al₁₀V、Al₆Fe、Al₃Sc相） (h) 熔池不同区域的冷却速率模拟及析出相分布示意图

图 4 (a) 熔池中心与边界的硬度分布 (b) 不同温度下的工程应力 - 应变曲线 (c) 室温抗拉强度与现有 LPBF 铝合金对比 (d) 高温抗拉强度与同类材料对比

图 5 (a,d) 300 ℃ /400 ℃拉伸测试后熔池边界的纳米析出相 (b,e) 300 ℃ /400 ℃拉伸测试后熔池中心的非晶网络 (c,f) 非晶相的高分辨 TEM 及 FFT 分析

AMLetters 点评

1. 三项关键技术突破：

非晶 / 晶体复合结构： 激光粉末床融合（ LPBF ）的极速冷却（ 10 ⁷ K/s ）使熔池中心形成非晶态网络，通过阻碍位错运动提升强度。

多尺度析出相协同强化： 熔池边界分布的Al₈Fe₂Si、Al₁₀V等纳米析出相(10-100 nm)通过奥罗万机制强化基体，而Al₃Sc 界面相抑制高温下颗粒粗化。

钪元素的晶界调控： Sc 元素细化晶粒并钉扎晶界，显著降低热裂纹敏感性。

启示： 3D 打印的非平衡加工特性成为解锁材料性能的关键，而非传统认知中的“工艺缺陷”。

2. 工程化应用的潜在挑战

尽管实验室数据亮眼，大规模应用仍需解决以下问题：

成本瓶颈： 钪（ Sc ）作为稀有金属，价格高昂（约 1.5 万元 / 公斤），亟需开发低成本替代方案或回收技术。

工艺稳定性： 实验室级参数（如激光功率 275 W 、扫描速度 1600 mm/s ）在量产中易受粉末流动性、设备波动影响，致密度可能下降。

长期热稳定性： 400 ℃下短期强度优异，但航空发动机等场景需验证 5000 小时以上的高温耐久性，目前数据尚未覆盖。

思考：这与高温合金、碳纤维等材料的产业化路径相似 ——从实验室到工程化，往往需要跨越“最后一公里”的技术鸿沟。

3. 技术颠覆性与行业影响

设计自由度提升： LPBF 允许在零件内部定向调控非晶 / 纳米相分布，未来或实现“应力集中区强化 + 轻量化区域减薄”的一体化设计。

替代钛合金的潜力： 若该合金替代航空钛合金部件，可减重 20%-30% ，仅燃油效率提升一项，单架客机年省成本超百万美元。

国产化意义： 我国 部分高端材料 长期依赖进口， 近年来借助国内增材制造技术的快速发展，部分领域有弯道超车之势，该材料就是一个典型案例， 此项技术突破为航天、核电等领域提供了自主可控的新选项。