呂堅院士&毛新平院士&朱強教授等Nature 子刊：增材制造低成本低密度耐熱鋁合金

導讀：鋁合金是工業領域應用最廣泛的輕質結構材料，在先進節能解決方案和輕量化技術中不可或缺。然而，現有商用鋁合金在高溫（300-400°C）條件下強度便會急劇下降，強化相快速粗化或溶解，導致材料喪失承載能力。為攻克該難題，本研究提出了一種低成本的合金設計策略，利用激光粉末床熔融技術增材制造兼具低密度、高強度與良好塑性的耐熱鋁合金。通過在凝固胞界處嵌入耐熱多組元金屬間化合物納米相（HMINPs），打印態合金形成了熱穩定性優異的胞狀結構，其中HMINPs的體積分數高達14%。無需任何后處理，該鋁合金在室溫下的平均抗拉強度達到582 MPa，同時在400°C下具有114 MPa的抗拉強度和優異的抗蠕變性能。在300-400°C拉伸變形過程中，HMINPs發生部分固相非晶化，形成納米雙相的玻璃-晶體結構，提供了一種額外的增韌機制。該策略結合增材制造的自由制造能力，已使我們開發的高性能鋁合金實現了工業應用，為提升能源效率、實現碳中和及推動可持續制造帶來廣闊前景。

圖文簡介

金屬增材制造技術作為一種先進的材料成形工藝，為復雜結構零部件的設計與成型以及高性能合金的設計與開發提供了新的機遇，正推動航空航天、高端裝備等關鍵產業實現從“傳統加工”向“精準智造”的跨越式發展。在激光粉末床熔融（PBF-LB）增材制造過程中，快速冷卻速率以及極端的熱循環等特征會產生獨特的非平衡態微觀組織。其中，細小胞狀結構是一種通過傳統鑄造或焊接難以獲得的特征組織，而在PBF-LB制備的多種合金體系中均已報道了此類胞狀微觀組織。其中胞界通常表現出與基體明顯的成分偏析，從而能夠引入以二次相嵌入胞界為特征的析出相骨架結構，以提高力學性能。這種結構設計在變形過程中可容納大量的位錯活動，為調控加工硬化行為和實現高強度提供了有效途徑。

在“雙碳”約束與加快發展新質生產力戰略的背景下，市場對輕質高強耐熱的結構功能一體化零部件的需求與標準不斷提高。因此，具有優異力學性能的輕質耐熱鋁合金復雜結構零部件受到了航空航天、汽車工業和國防工業等領域的廣泛關注。然而，鋁合金的一個顯著缺點是在高溫（300–400°C）條件下耐熱性較差，這限制了其在需要高服役溫度的先進工程應用中的使用。傳統耐熱鋁合金，如鑄造A201和鍛造2618鋁合金，存在強化析出相因強烈熱擴散而快速粗化以及析出相體積分數不足等問題，最終導致高溫承載能力下降。盡管某些鋁合金可以形成大體積分數的析出相（如θ′-Al?Cu和η′-MgZn?），但這些析出相通常由高溶解度、快擴散速率的溶質組成，因此缺乏足夠的熱穩定性。相比之下，具有相對較高熱穩定性的析出相（如Al?Sc和Al?Zr）由慢擴散溶質組成，難以獲得足夠高的體積分數以實現有效強化。因此，溶質擴散速率的差異阻礙了同時具備高穩定性和高體積分數的納米析出相的形成，而這對于開發耐熱鋁合金至關重要。

為應對上述挑戰，香港城市大學呂堅院士聯合北京科技大學毛新平院士團隊、南方科技大學機械系朱強講席教授團隊、澳大利亞昆士蘭大學張明星教授團隊、西北工業大學齊樂華教授團隊以及中國航空制造技術研究院、江西寶航新材料提出了一種簡潔且高效的耐熱鋁合金設計新思路：通過主動設計熱穩定的胞狀納米相網絡，同時利用高溫應變誘導的固相非晶化作為增韌機制，使鋁合金在室溫至400°C的寬溫域內保持優異的力學性能。通過在胞界處形成高密度、高強耐熱的α型Al(FeMnNi)Si多組元金屬間化合物納米相（HMINPs）的可控分布，從而在鋁合金中實現有效強化。這種設計通過溶質偏聚和阻礙反向界面擴散來穩定納米析出相，將多組元復雜特性帶來的熱穩定性與異質胞狀結構提供的額外位錯儲存能力相結合，使鋁合金在25-400°C均具有超高強度與高塑性。該合金設計思路既能通過適量添加資源豐富的Fe、Mn、Ni元素并配合高Si含量來保持合金的輕質特性，又避免了添加昂貴/稀土元素（如Sc、Ce、Ag、Ta），在成本和可規模化方面具有顯著優勢。

實驗結果表明，該耐熱鋁合金的HMINPs胞狀網絡在400°C下經過長時熱暴露后仍保持結構完整，未發生顯著粗化或溶解——相比之下，傳統增材制造AlSi10Mg合金中的Si網絡在相同條件下已嚴重粗化瓦解。拉伸性能方面，該合金在室溫下抗拉強度582 MPa，延伸率約7.2%；在300°C與400°C下的抗拉強度仍達263 MPa與114 MPa。高溫穩定性方面，在400°C、25-40 MPa應力條件下，該合金展現出較低的穩態蠕變速率，抗蠕變性能優于已報道的大多數鋁合金。此外，在300-400°C高溫拉伸變形過程中，還發現部分HMINPs發生了固相非晶化轉變，在非晶基體中均勻彌散分布著尺寸小于5 nm的L1?有序γ’-(Ni,Fe)?Al超納米顆粒，形成了一種罕見的“非晶+納米顆粒”的納米雙相玻璃-晶體復合結構。這種應變誘導的固相非晶化以及非晶-納米析出顆粒的形成此前在塊體鋁合金中鮮有報道。這一非晶化過程提供了額外的能量耗散路徑，在拉伸變形中有效阻止裂紋擴展，成為一種全新的增韌機制，有利于在高溫下保持優異的性能。

相關成果以題為“Strong yet ductile heat-resistant aluminum alloy by additive manufacturing”發表在頂尖期刊《Nature Communications》上，香港城市大學李干博士與北京科技大學黃禹赫博士為第一作者，香港城市大學呂堅院士與南方科技大學朱強講席教授為通訊作者。

論文鏈接:

https://www.nature.com/articles/s41467-026-71926-7

圖1 增材制造耐熱鋁合金設計思路與多尺度微觀組織表征（正文圖1）

圖2 增材制造耐熱鋁合金的拉伸與蠕變性能 (正文圖2)

圖3 增材制造耐熱鋁合金在400℃拉伸斷裂后斷口處的微觀組織 (正文圖3)

圖4 增材制造耐熱鋁合金在400℃下的TEM原位拉伸結果(正文圖4)

圖5 增材制造耐熱鋁合金中HMINP的原子級TEM表征與凝固特性(附件圖4)

圖6 增材制造耐熱鋁合金與AlSi10Mg合金在短時/長時保溫過程中的析出相演變規律 (附件圖5)

圖7 增材制造耐熱鋁合金在寬溫閾的比強度與復雜結構零部件的成形性（附件圖7）。

圖8 增材制造耐熱鋁合金400℃拉伸蠕變后的微觀組織表征（附件圖8）。

圖9 增材制造耐熱鋁合金400℃拉伸后的微觀組織表征（附件圖9）。

圖10 增材制造耐熱鋁合金400℃拉伸后的非晶-晶體雙相結構的三維元素分析及其在原位加熱下的耐熱性/非晶穩定性表征（附件圖10）。

主要作者簡介

呂堅院士（通訊作者）：法國國家技術科學院（NATF）院士、香港工程院（HKAE）院士、香港材料研究會理事長（HKMRS）、香港城市大學機械工程系講席教授、工學院院長、國家貴金屬材料工程研究中心香港分中心主任、先進結構材料中心主任。研究方向涉及先進結構與功能納米材料的制備和力學性能，結構與功能材料的設計及增材制造，圖靈及高熵合金催化劑在電解水制綠氫及燃料電池與污水處理，超高靈敏度表面增強拉曼光譜（SERS）及在心腦血管疾病早期快速診斷，環保，食品安全等領域的應用。中科院首批海外評審專家，中科院沈陽金屬所客座首席研究員，西安交通大學、東北大學、北京科技大學、南昌大學名譽教授，西北工業大學、上海交通大學和西南交通大學顧問教授，中科院知名學者團隊成員，2011年被法國國家技術科學院（NATF）選為院士，是該院300多位院士中首位華裔院士。2006年與2017年分別獲法國總統任命獲法國國家榮譽騎士勛章及法國國家榮譽軍團騎士勛章，2018年獲中國工程院光華工程科技獎。已取得86項歐、美（52項）、中發明專利授權，在本領域頂尖雜志Nature（封面文章），Science，Nature Materials，Nature Chemistry，Nature Water，Science Advances，Nature Communication，PNAS, Materials Today，Advanced Materials, JACS, Angew. Chem., JMPS, Acta Materialia 等專業期刊上發表論文650余篇，引用57000余次，H因子108（Google Scholar），2025年科睿唯安"全球高被引科學家"。個人主頁：https://scholars.cityu.edu.hk/en/persons/jianlu

朱強教授（通訊作者）：南方科技大學機械與能源工程系講席教授。1994年畢業于德國愛爾蘭根-紐倫堡大學材料科學專業，獲工學博士學位；曾任北京有色金屬研究總院副總工程師、首席專家、學術和學位委員會委員、國家有色金屬復合材料工程技術研究中心副主任、北京市金屬先進成形技術中心首創主任，科技部十二五《高品質特殊鋼和高溫合金》總體專家組專家。現為英國材料、礦業與礦物學會會士，第十五屆國際半固態技術委員會主席，中鑄協半固態技術工作委員會主任委員。先后參與或主持法國科學中心中法合作項目、德國國家自然基金項目、英國國家自然基金重點項目、英中國際合作項目以及康明斯全球渦輪增壓器關鍵部件壓葉輪和渦輪的壽命改進項目。近5年先后承擔國家科技支撐、外國資深學者項目，國際合作、重點研發計劃以及省市等縱向科研項目和企業合作橫向項目。曾獲國際合金及復合材料半固態加工技術杰出貢獻獎、北美國際半固態/擠壓鑄造大獎、兩次康明斯技術創新獎、深圳市科技進步一等獎、中國有色金屬工業科學技術獎一等獎。受邀多次在國際著名學術會議上作特邀報告，發表論文200余篇，編輯出版專著2本，國際發明專利1項及中國專利50項。個人主頁：https://faculty.sustech.edu.cn/zhuq

李干博士：香港城市大學博士后，香港材料研究學會終身會員。先后在華中科技大學、哈爾濱工業大學與香港城市大學獲得學士、碩士與博士學位。主要研究方向聚焦于金屬增材制造領域的先進材料開發（鋁合金、高溫合金、鋼等）、結構設計（超材料設計與結構優化）及工業應用。曾獲中國國際發明創新展覽會金獎與國際前沿材料大會“前沿材料研究生獎”，已申請/授權中/美專利17項。發表論文60余篇，其中以第一作者在Nature Communications, Science Advances, Materials Today, Additive Manufacturing等期刊發表論文18篇，H因子26。

黃禹赫博士：北京科技大學碳中和研究院講師，入選中國科協青年人才托舉工程，先后在西北工業大學與英國謝菲爾德大學獲得學士與博士學位。主要研究方向包括高性能金屬材料（如鋼、高熵合金、鈦合金、鋁合金）的設計制備、加工以及力學性能調控、晶界工程與相變等。在合金強韌化設計與多維表征方法等方面取得了系列創新性的研究成果，已經在Nature, Science Advances, Nature Communications, Materials Today, Acta Materialia, Scripta Materialia, Additive Manufacturing等期刊發表論文90余篇，他引逾2000次。

本文來自“材料科學與工程”公眾號，感謝論文作者團隊支持。

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