吕坚院士&李瑞迪教授最新综述：耐热铝合金设计与高温性能调控研究进展

第一作者：夏熙珍

共同通讯作者：吕坚院士，李瑞迪教授

共同通讯单位：香港城市大学，中南大学

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.mser.2026.101266

铝合金因具有低密度、高比强度、良好的耐腐蚀性能和优异加工性能，被广泛应用于航空航天、交通运输、能源装备等领域。然而，随着航空发动机、新能源装备以及高功率动力系统不断向高速度、高功率密度方向发展，传统铝合金在 200–400 ℃中高温环境下的强度保持能力、蠕变抗力以及组织稳定性逐渐成为限制其进一步应用的关键瓶颈。新工艺、新成分和新机理成为耐热铝合金的研究热点。

鉴于此，香港城市大学吕坚教授团队和中南大学粉末冶金国家重点实验室李瑞迪教授团队对耐热铝合金近年来在合金设计、先进制造、热稳定机制以及未来设计方向进行了系统总结，该工作以“Advances in the development of heat-resistant aluminum alloys: Composition design, high-temperature performance and stabilization mechanisms”为题发表在《Materials Science and Engineering: R: Reports 》上，系统梳理耐热铝合金现有研究体系，区分传统铸锻平衡制备、快速凝固 / 增材制造非平衡制备两大技术路径，梳理各类合金体系、高温稳定强化相、微观调控机制，同时总结现有性能边界、现存难点与数据驱动设计新思路。

图1全文综述思路总览图

一、耐热铝合金核心设计逻辑

区别于室温高强铝合金，耐热铝的设计核心不在于单纯提升初始强度，而是构建高温下长期稳定的微观阻碍单元，依靠各类第二相钉扎位错、限制晶界迁移，抑制蠕变变形。团队将主流高温强化相分为三类：

1.纳米析出相：作为铝合金最核心的强化单元，纳米析出相可细分为三类，一是半共格纳米析出相（θ′、Ω、β″等），是Al-Cu、Al-Mg 系主流强化相，中温区间强化效果优异，但温度升高后易发生粗化失稳，高温长效性能不足；二是L1₂型有序析出相（Al₃(Sc,Zr)，Al3Ti等）：凭借极低的界面能与缓慢的溶质扩散速率实现合金高温强度支撑；三是非共格纳米析出相（Al13Fe4, θ-Al2Cu等），虽热稳定性有限，但细小弥散分布时仍可提供一定强度支撑作用。

图2铝合金常见半共格耐热强化相

图3耐热铝合金中的 L1₂有序相

图4耐热铝合金中常见非共格析出相

2.陶瓷弥散相，以TiB₂、TiC等为代表的高熔点陶瓷颗粒，具备热稳定性高、扩散速率极低的特点，可在超高温工况下稳定存在。通过弥散分布于铝基体中，有效钉扎晶界、抑制再结晶与高温蠕变，大幅拓宽合金的高温服役温度区间，适配严苛的超高温服役环境。

图5耐热铝合金常见陶瓷强化相

3.共晶骨架结构，由Al₁₁Ce₃、Al₃Ni等高熔点金属间化合物构成连续网状共晶骨架，可在高温下形成稳固的微观承载结构。该结构能够从整体上约束基体变形、阻碍组织粗化，为合金高温力学性能、抗蠕变性能提供核心支撑。

图6耐热铝合金常见共晶结构

二、两大制备路线：平衡凝固vs非平衡凝固

团队系统梳理了耐热铝合金现有研究体系，根据不同制备工艺区分了传统铸锻平衡制备、快速凝固 / 增材非平衡制备两类耐热铝合金，对每一类合金体系开展系统综述，并汇总整理了各类材料的高温性能数据。

1.传统铸造、变形耐热铝合金（平衡工艺）：包含 Al-Si、Al-Cu、Al-Mg 等体系，工艺成熟、量产成本可控。Al-Si 合金：铸造流动性优异，通过 Ni、Mn、稀土复合合金化改善 300℃强度；Al-Cu 合金：中高温强度优势突出，依托 θ′、Ω 相强化，添加 Mn、Zr、Ag 等元素调控界面，延缓析出相粗化；Al-Mg 合金：耐蚀、轻量化优势显著，但高温组织稳定性偏弱。受平衡固溶度限制，传统铸造/变形耐热铝合金凝固速度慢，易生成粗大第二相，长期高温服役稳定性不足。

2.快速凝固与增材制造合金（非平衡工艺）：增材制造、喷射沉积、气雾化等工艺依靠超高冷却速率，可突破传统合金成分局限，获得过饱和固溶体。除传统的Al-Si，Al-Cu，Al-Mg三类合金改性外，还衍生了两类专用耐热铝体系，一类是Al-TM（过渡金属）系，以低扩散速率的Cr，Mn，Fe，Ni等元素为主要微合金化元素，原位生成高稳定纳米金属间弥散相，400℃仍保有可用强度；另一类则是Al-Ce 稀土共晶合金：Al₁₁Ce₃相扩散速率极低，抗粗化、抗蠕变性能优异，打印热裂纹敏感性低，适配高温复杂拓扑结构件。

图7不同制备工艺耐热铝合金抗拉强度对比

图8不同制备工艺耐热铝合金蠕变性能对比

图9不同制备工艺耐热铝合金强度-导热协同性能对比

团队汇总大量文献室高温拉伸、蠕变、导热数据，结合各类合金性能统计结果，从制备工艺、合金体系等多个维度对铝合金高温性能表现进行横向对比。对比结果表明，快速凝固、增材制造等先进制备手段，能够有效拓宽耐热铝合金的适用温度区间，提升材料性能极限。其中新型增材 Al-Ce、Al-TM 合金优势突出，300℃环境下抗拉强度普遍超过 200 MPa，部分材料在 400℃高温下依旧可稳定承载。

图10典型耐热铝合金体系抗拉强度 - 温度变化关系图谱

图11不同体系耐热铝合金 300℃极限抗拉强度对比及通用高温稳定化手段

三、跨尺度高温稳定机制

团队综述整合了大量文献数据，归纳总结出耐热铝合金跨尺度多维度协同高温稳定机制，为后续耐热铝合金成分设计与组织调控提供统一理论依据：

1）原子尺度界面调控：Sc、Zr、Mn、Ag 等溶质在析出相界面偏析，降低界面能，减缓奥斯特瓦尔德熟化；

2）纳米尺度多级析出协同：L1₂相与传统亚稳析出相共存，多相协同提升热稳定性；

3）微观尺度晶界钉扎：连续共晶网络、陶瓷颗粒抑制高温晶界迁移与再结晶。

图12跨尺度热稳定性提升机理示意图

四、耐热铝合金设计准则

尽管进展显著，目前耐热铝合金仍面临以下挑战：1）各类合金的高温承载能力与可用温度范围仍需进一步拓展；2）高温强度、导热性能、成型性能、生产成本无法同步兼顾，多性能协同设计面临明显约束；3）相关试验数据以短期实验室表征为主，缺少实际服役条件下的长效性能考核支撑。

对此，本文提出系统化的耐热铝合金设计准则，以构件实际高温服役性能需求为核心导向，优先筛选适配工况温度、载荷要求的基体合金体系；在此基础上通过主元素配比优化、微量合金元素复合添加完成多尺度微观组织调控，同步兼顾材料成形特性与高温长效稳定性，最终搭建起成分调控与制备工艺相互匹配、协同优化的一体化完整设计准则，为新型耐热铝合金的定向开发提供清晰可行的理论指导。

图13耐热铝合金成分设计思路总结

五、未来发展方向

面向行业现存技术难题，耐热铝合金后续研究应围绕多维度同步推进。整体存在两大核心研发路线，一是开发新型合金成分，引入稀土、过渡金属等特色合金元素；二是升级制备工艺，结合快速凝固、增材制造等先进成型技术，二者结合可开发综合性能更优异的铝合金材料。随着合金成分逐步复杂化，行业亟需建立完善统一的高温性能评判标准与标准化设计规范，而机器学习赋能的数据驱动合金设计手段，能够有效提升成分筛选效率，大幅减少传统试错实验带来的时间与经济成本。在材料性能研究层面，未来研究不再局限短期高温拉伸、室温强度测试，将重点攻关极端服役环境下具备长效高温强度、组织稳定性的合金，同步提升合金抗氧化、抗高温腐蚀与热疲劳性能；同时深挖耐热行为底层基础机理，厘清合金元素相互作用、析出相与基体界面关系以及工艺对微观组织演变的影响规律，还需搭建贴合真实工况的标准化长效性能评价体系，重点考核蠕变、热疲劳、高温热暴露后力学性能与导热系数等关键指标。在成形工艺层面，融合增材制造与传统合金化工艺，兼顾复杂构件成型能力与材料高温性能，也是支撑高端装备发展的重要研究方向。而在合金应用层面，耐热铝合金是航空、汽车、能源电子领域轻量化高温承载部件的关键材料，可用于内燃机活塞、航空高温承载结构、换热器件等零部件，依托增材制造技术还可制备带一体化冷却通道、拓扑优化的复杂轻量化构件；但材料大范围落地应用仍需完成真实服役工况下长效强度、抗蠕变、热疲劳、缺陷耐受能力等多维度系统验证。

【作者简介】

吕坚（通讯作者）

法国国家技术科学院（NATF）院士、美国国家发明家科学院院士、香港工程院院士、香港材料研究会理事长（HKMRS）、香港城市大学机械工程系讲座教授、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，是该院近300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84项欧、美（50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 Communications、Materials Today、Advanced Materials、Advanced Functional Materials、JACS、Angew. Chem.、JMPS、Acta Materialia等专业杂志上发表论文580余篇，引用五万余次。

教师主页：https://www.cityu.edu.hk/mne/people/academic-staff/prof-lu-jian

李瑞迪（通讯作者）

中南大学教授/博导，教育部高层次人才计划特聘教授，“十四五”国家重点研发计划首席科学家。2013年至今，在中南大学粉末冶金研究院从事教学与科研工作。主要从事金属增材制造材料开发与成形技术研究。主持“十四五”国家重点研发计划项目、国家自然科学基金(联合基金重点、面上、青年)等国家级科研项目。第一/通讯在Nature Communications, Advanced Materials, Acta Materialia, International Journal of Machine Tools and Manufacture, International Journal of Plasticity, Additive Manufacturing, Journal of Materials Science and Technology等期刊发表SCI论文70余篇，获授权发明专利20件。研究成果获中国有色金属工业科学技术一等奖、湖南省自然科学二等奖、NFSOC高等教育教学成果一等奖、鼎新青年科学家奖(IJMMM)。

教师主页：https://faculty.csu.edu.cn/liruidi/zh_CN/index.htm

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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