吕坚院士&毛新平院士&朱强教授等Nature 子刊：增材制造低成本低密度耐热铝合金

导读：铝合金是工业领域应用最广泛的轻质结构材料，在先进节能解决方案和轻量化技术中不可或缺。然而，现有商用铝合金在高温（300-400°C）条件下强度便会急剧下降，强化相快速粗化或溶解，导致材料丧失承载能力。为攻克该难题，本研究提出了一种低成本的合金设计策略，利用激光粉末床熔融技术增材制造兼具低密度、高强度与良好塑性的耐热铝合金。通过在凝固胞界处嵌入耐热多组元金属间化合物纳米相（HMINPs），打印态合金形成了热稳定性优异的胞状结构，其中HMINPs的体积分数高达14%。无需任何后处理，该铝合金在室温下的平均抗拉强度达到582 MPa，同时在400°C下具有114 MPa的抗拉强度和优异的抗蠕变性能。在300-400°C拉伸变形过程中，HMINPs发生部分固相非晶化，形成纳米双相的玻璃-晶体结构，提供了一种额外的增韧机制。该策略结合增材制造的自由制造能力，已使我们开发的高性能铝合金实现了工业应用，为提升能源效率、实现碳中和及推动可持续制造带来广阔前景。

图文简介

金属增材制造技术作为一种先进的材料成形工艺，为复杂结构零部件的设计与成型以及高性能合金的设计与开发提供了新的机遇，正推动航空航天、高端装备等关键产业实现从“传统加工”向“精准智造”的跨越式发展。在激光粉末床熔融（PBF-LB）增材制造过程中，快速冷却速率以及极端的热循环等特征会产生独特的非平衡态微观组织。其中，细小胞状结构是一种通过传统铸造或焊接难以获得的特征组织，而在PBF-LB制备的多种合金体系中均已报道了此类胞状微观组织。其中胞界通常表现出与基体明显的成分偏析，从而能够引入以二次相嵌入胞界为特征的析出相骨架结构，以提高力学性能。这种结构设计在变形过程中可容纳大量的位错活动，为调控加工硬化行为和实现高强度提供了有效途径。

在“双碳”约束与加快发展新质生产力战略的背景下，市场对轻质高强耐热的结构功能一体化零部件的需求与标准不断提高。因此，具有优异力学性能的轻质耐热铝合金复杂结构零部件受到了航空航天、汽车工业和国防工业等领域的广泛关注。然而，铝合金的一个显著缺点是在高温（300–400°C）条件下耐热性较差，这限制了其在需要高服役温度的先进工程应用中的使用。传统耐热铝合金，如铸造A201和锻造2618铝合金，存在强化析出相因强烈热扩散而快速粗化以及析出相体积分数不足等问题，最终导致高温承载能力下降。尽管某些铝合金可以形成大体积分数的析出相（如θ′-Al₂Cu和η′-MgZn₂），但这些析出相通常由高溶解度、快扩散速率的溶质组成，因此缺乏足够的热稳定性。相比之下，具有相对较高热稳定性的析出相（如Al₃Sc和Al₃Zr）由慢扩散溶质组成，难以获得足够高的体积分数以实现有效强化。因此，溶质扩散速率的差异阻碍了同时具备高稳定性和高体积分数的纳米析出相的形成，而这对于开发耐热铝合金至关重要。

为应对上述挑战，香港城市大学吕坚院士联合北京科技大学毛新平院士团队、南方科技大学机械系朱强讲席教授团队、澳大利亚昆士兰大学张明星教授团队、西北工业大学齐乐华教授团队以及中国航空制造技术研究院、江西宝航新材料提出了一种简洁且高效的耐热铝合金设计新思路：通过主动设计热稳定的胞状纳米相网络，同时利用高温应变诱导的固相非晶化作为增韧机制，使铝合金在室温至400°C的宽温域内保持优异的力学性能。通过在胞界处形成高密度、高强耐热的α型Al(FeMnNi)Si多组元金属间化合物纳米相（HMINPs）的可控分布，从而在铝合金中实现有效强化。这种设计通过溶质偏聚和阻碍反向界面扩散来稳定纳米析出相，将多组元复杂特性带来的热稳定性与异质胞状结构提供的额外位错储存能力相结合，使铝合金在25-400°C均具有超高强度与高塑性。该合金设计思路既能通过适量添加资源丰富的Fe、Mn、Ni元素并配合高Si含量来保持合金的轻质特性，又避免了添加昂贵/稀土元素（如Sc、Ce、Ag、Ta），在成本和可规模化方面具有显著优势。

实验结果表明，该耐热铝合金的HMINPs胞状网络在400°C下经过长时热暴露后仍保持结构完整，未发生显著粗化或溶解——相比之下，传统增材制造AlSi10Mg合金中的Si网络在相同条件下已严重粗化瓦解。拉伸性能方面，该合金在室温下抗拉强度582 MPa，延伸率约7.2%；在300°C与400°C下的抗拉强度仍达263 MPa与114 MPa。高温稳定性方面，在400°C、25-40 MPa应力条件下，该合金展现出较低的稳态蠕变速率，抗蠕变性能优于已报道的大多数铝合金。此外，在300-400°C高温拉伸变形过程中，还发现部分HMINPs发生了固相非晶化转变，在非晶基体中均匀弥散分布着尺寸小于5 nm的L1₂有序γ’-(Ni,Fe)₃Al超纳米颗粒，形成了一种罕见的“非晶+纳米颗粒”的纳米双相玻璃-晶体复合结构。这种应变诱导的固相非晶化以及非晶-纳米析出颗粒的形成此前在块体铝合金中鲜有报道。这一非晶化过程提供了额外的能量耗散路径，在拉伸变形中有效阻止裂纹扩展，成为一种全新的增韧机制，有利于在高温下保持优异的性能。

相关成果以题为“Strong yet ductile heat-resistant aluminum alloy by additive manufacturing”发表在顶尖期刊《Nature Communications》上，香港城市大学李干博士与北京科技大学黄禹赫博士为第一作者，香港城市大学吕坚院士与南方科技大学朱强讲席教授为通讯作者。

论文链接:

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

图1 增材制造耐热铝合金设计思路与多尺度微观组织表征（正文图1）

图2 增材制造耐热铝合金的拉伸与蠕变性能 (正文图2)

图3 增材制造耐热铝合金在400℃拉伸断裂后断口处的微观组织 (正文图3)

图4 增材制造耐热铝合金在400℃下的TEM原位拉伸结果(正文图4)

图5 增材制造耐热铝合金中HMINP的原子级TEM表征与凝固特性(附件图4)

图6 增材制造耐热铝合金与AlSi10Mg合金在短时/长时保温过程中的析出相演变规律 (附件图5)

图7 增材制造耐热铝合金在宽温阈的比强度与复杂结构零部件的成形性（附件图7）。

图8 增材制造耐热铝合金400℃拉伸蠕变后的微观组织表征（附件图8）。

图9 增材制造耐热铝合金400℃拉伸后的微观组织表征（附件图9）。

图10 增材制造耐热铝合金400℃拉伸后的非晶-晶体双相结构的三维元素分析及其在原位加热下的耐热性/非晶稳定性表征（附件图10）。

主要作者简介

吕坚院士（通讯作者）：法国国家技术科学院（NATF）院士、香港工程院（HKAE）院士、香港材料研究会理事长（HKMRS）、香港城市大学机械工程系讲席教授、工学院院长、国家贵金属材料工程研究中心香港分中心主任、先进结构材料中心主任。研究方向涉及先进结构与功能纳米材料的制备和力学性能，结构与功能材料的设计及增材制造，图灵及高熵合金催化剂在电解水制绿氢及燃料电池与污水处理，超高灵敏度表面增强拉曼光谱（SERS）及在心脑血管疾病早期快速诊断，环保，食品安全等领域的应用。中科院首批海外评审专家，中科院沈阳金属所客座首席研究员，西安交通大学、东北大学、北京科技大学、南昌大学名誉教授，西北工业大学、上海交通大学和西南交通大学顾问教授，中科院知名学者团队成员，2011年被法国国家技术科学院（NATF）选为院士，是该院300多位院士中首位华裔院士。2006年与2017年分别获法国总统任命获法国国家荣誉骑士勋章及法国国家荣誉军团骑士勋章，2018年获中国工程院光华工程科技奖。已取得86项欧、美（52项）、中发明专利授权，在本领域顶尖杂志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 等专业期刊上发表论文650余篇，引用57000余次，H因子108（Google Scholar），2025年科睿唯安"全球高被引科学家"。个人主页：https://scholars.cityu.edu.hk/en/persons/jianlu

朱强教授（通讯作者）：南方科技大学机械与能源工程系讲席教授。1994年毕业于德国爱尔兰根-纽伦堡大学材料科学专业，获工学博士学位；曾任北京有色金属研究总院副总工程师、首席专家、学术和学位委员会委员、国家有色金属复合材料工程技术研究中心副主任、北京市金属先进成形技术中心首创主任，科技部十二五《高品质特殊钢和高温合金》总体专家组专家。现为英国材料、矿业与矿物学会会士，第十五届国际半固态技术委员会主席，中铸协半固态技术工作委员会主任委员。先后参与或主持法国科学中心中法合作项目、德国国家自然基金项目、英国国家自然基金重点项目、英中国际合作项目以及康明斯全球涡轮增压器关键部件压叶轮和涡轮的寿命改进项目。近5年先后承担国家科技支撑、外国资深学者项目，国际合作、重点研发计划以及省市等纵向科研项目和企业合作横向项目。曾获国际合金及复合材料半固态加工技术杰出贡献奖、北美国际半固态/挤压铸造大奖、两次康明斯技术创新奖、深圳市科技进步一等奖、中国有色金属工业科学技术奖一等奖。受邀多次在国际著名学术会议上作特邀报告，发表论文200余篇，编辑出版专著2本，国际发明专利1项及中国专利50项。个人主页：https://faculty.sustech.edu.cn/zhuq

李干博士：香港城市大学博士后，香港材料研究学会终身会员。先后在华中科技大学、哈尔滨工业大学与香港城市大学获得学士、硕士与博士学位。主要研究方向聚焦于金属增材制造领域的先进材料开发（铝合金、高温合金、钢等）、结构设计（超材料设计与结构优化）及工业应用。曾获中国国际发明创新展览会金奖与国际前沿材料大会“前沿材料研究生奖”，已申请/授权中/美专利17项。发表论文60余篇，其中以第一作者在Nature Communications, Science Advances, Materials Today, Additive Manufacturing等期刊发表论文18篇，H因子26。

黄禹赫博士：北京科技大学碳中和研究院讲师，入选中国科协青年人才托举工程，先后在西北工业大学与英国谢菲尔德大学获得学士与博士学位。主要研究方向包括高性能金属材料（如钢、高熵合金、钛合金、铝合金）的设计制备、加工以及力学性能调控、晶界工程与相变等。在合金强韧化设计与多维表征方法等方面取得了系列创新性的研究成果，已经在Nature, Science Advances, Nature Communications, Materials Today, Acta Materialia, Scripta Materialia, Additive Manufacturing等期刊发表论文90余篇，他引逾2000次。

本文来自“材料科学与工程”公众号，感谢论文作者团队支持。

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