点亮高端制造轻量化新图景：铝基材料增材制造进展与挑战

铝基材料增材制造作为轻量化高端制造的核心关键技术，正驱动航空航天、新能源汽车、AI热管理等战略产业从“传统减重”向“结构-功能一体化精准智造”跨越升级。当前，轻量化与智能化成为先进制造核心命题。我国持续推动高端装备轻量化与新型工业化深度融合，以新材料、新工艺赋能新质生产力。

近期，香港城市大学宏桥轻金属研究院吕坚院士团队联合中国航空制造技术研究院、北科大、南科大等多家单位，在SCI期刊《极端制造（英文）》期刊上发表了题为“Design innovations and high-value-added industrial deployments of additively manufactured advanced aluminum-based materials”的系统性综述，以“材料设计创新—高端场景落地—未来产业展望”为主线，系统梳理了增材制造铝基合金与铝基复合材料（AMCs）的设计策略、调控机理与高附加值工业应用，全面分析了航空、航天、汽车、热管理四大领域的规模化落地案例，为我国高端轻量化制造技术推广与产业升级提供理论指引与实践范式。

论文链接：

https://doi.org/10.1088/2631-7990/ae703c

作者

李干，白翔仁，王硕，游小娇，李莹，贺喜，谢冰宇，黄禹赫，冯广辉，闫星辰，卢冰文，曾元松，李志强，朱强，吕坚*

机构

香港城市大学、南方科技大学、北京科技大学、广东省科学院、中国航空制造技术研究院

铝基材料及其增材制造的新机遇

铝凭借其独特的物理化学性质，成为现代工业中的基础金属材料。其面心立方晶体结构、低密度（约2.7 g·cm⁻³，仅为钢的三分之一）、优异的导热性以及良好的延展性和成形性，使其在轻量化、热管理和复杂结构加工方面具有显著优势。同时，铝表面能自发形成致密的氧化铝钝化层，赋予其出色的耐大气腐蚀能力。尤为重要的是，铝在地壳中储量丰富且可实现完全回收，迄今生产的150亿吨铝中仍有近75%处于使用状态。

铝基材料主要包括铝合金和铝基复合材料。其中，铸造铝合金因凝固温度范围窄、打印性好，适合增材制造；而高强度的变形铝合金（如2xxx和7xxx系）在增材制造中易产生热裂纹。增材制造技术为铝基材料开辟了新的应用范式：它不仅能制造拓扑优化和内部流道等复杂轻量化结构，其快速凝固特性还可抑制缺陷、开发新型高性能材料，并为铝基复合材料的原位增强或增强相可控分布提供了创新路径。

图1 铝基材料的分类与性能。

高性能增材制造铝合金的设计与开发

当前，高性能增材制造铝合金主要分为三大类：

一是通过工艺控制的共晶/近共晶Al-Si系合金；二是通过成分改性的变形铝合金；三是专为增材制造设计的新型铝合金。

对于Al-Si系合金，通过优化粉末特性、激光模式（连续波优于脉冲波）及扫描策略，可显著提升致密度与力学性能。对于高强度的2xxx和7xxx系变形铝合金，添加Ti、Zr、Sc、Nb、Ta等形核剂可诱导等轴晶转变，消除热裂纹。例如，Ti纳米颗粒改性后，2024铝合金的抗拉强度从不足20MPa提升至430MPa，延伸率达10%；Sc/Zr系合金经热处理后屈服强度可达500-650MPa级别。通过预合金化原位形成形核剂，可避免外加纳米颗粒导致的流动性下降和元素烧损问题。此外，专为增材制造设计的准晶与非晶相强化合金展现出优异的高温性能，如Al-Fe-Cr-Ti合金在400°C下屈服强度仍达180MPa，而含非晶复合区的Al-Fe-V-Si合金室温抗拉强度高达865MPa。这些策略共同推动了高性能铝合金在增材制造中的快速发展。

图2 通过成形工艺调控提高增材制造 AlSi10Mg合金的力学性能。

增材制造中的铝基复合材料策略

利用复合策略，在增材制造中将增强相引入铝合金体系，不但能够发挥其本征强化作用，还能够从多方面提升铝合金的可打印性。

在缺陷控制方面，纳米颗粒可提高粉末激光吸收率、稳定熔池流动，并作为异质形核位点促进等轴晶形成，从而抑制匙孔孔洞、凝固裂纹和织构各向异性。

在制备策略方面，文章梳理了外加增强、复合粉末和原位反应三类路径，展现了强化相从“加入”到“内嵌”再到“原位生成”的发展趋势。在微结构调控方面，纳米颗粒的尺寸、分布和界面结合可协同影响晶粒细化、析出行为、位错累积与载荷传递。由此，增材制造铝基复合材料为高端轻量化构件提供了新的材料方案。

图3 增材制造铝基复合材料的微观组织特征。

增材制造铝基材料在高附加值工业应用中的四大场景

在高附加值工业应用方面，增材制造铝基材料已在航空、航天、汽车及热管理四大关键场景实现规模化落地：航空领域为空客 A320、A350等机型制造拓扑优化的舱内结构与线缆支架，实现部件集成、减重约 30% 并显著缩短研制周期；航天领域成功制造火箭发动机喷管、卫星天线支架、10米级重型运载火箭连接环、推进剂贮箱等大型与高精度构件，以一体化成形大幅减少零件数量、降低装配复杂度与生产成本；汽车领域被保时捷、宝马、奔驰、布加迪及比亚迪等品牌用于高性能发动机活塞、悬架臂、车顶支架、电机支架与整车高端结构件，实现轻量化、高效散热与车身刚度的同步提升，支撑超跑与高端新能源车型突破性能极限；热管理领域则依托复杂微流道一体化成形优势，广泛应用于高端电子散热、动力电池冷却系统及高效换热器，在紧凑空间内实现换热效率大幅提升，全面满足现代装备对结构 - 功能一体化的严苛需求。

图4 飞机用铝合金的比例及带典型增材制造铝基零部件。

总结与展望

本综述系统阐明增材制造先进铝基材料的设计原理、调控机制、工艺窗口与工业落地全景，建立“工艺-组织-性能-应用”全链条认知体系。通过材料设计创新与复合材料策略，从根源解决铝合金增材制造热裂、气孔、各向异性等核心瓶颈，实现从普通结构件到高端装备关键承力件、功能件的跨越。在智能制造与“双碳”战略背景下，铝基增材制造将深度融合轻量化、智能化、绿色化，持续赋能航空航天、新能源汽车、高端电子等战略产业，成为高端制造高质量发展的关键支撑技术，开启轻量化智能制造全新图景。

图5 增材制造高性能铝基材料设计与潜在应用场景。

论文引用

Li G et al. 2026. Design innovations and high-value-added industrial deployments of additively manufactured advanced aluminum-based materials. Int. J. Extrem. Manuf. 8 052006.https://doi.org/10.1088/2631-7990/ae703c

研究团队简介

吕坚，法国国家技术科学院院士，美国国家发明家科学院（NAI）院士，香港工程院院士，香港发明创新总会会长，香港城市大学机械系讲席教授，先进结构材料研究中心主任。香港材料研究会（HK-MRS）理事长，香港力学学会前理事长，广东省大湾区激光与增材制造产业技术创新联盟副理事长，世界新能源汽车大会科技委员会委员。研究涉及先进纳米材料制备与力学性能，3D/4D打印，结构与功能材料预应力工程。在Nature（封面文章），Science, Nature Materials, Nature Chemistry, Nature Water, Nature Communications, Science Advances, PNAS, Advanced Materials, Materials Today, PRL, JACS等杂志上发表论文650余篇，引用5万8千余次，H-Index=108，2025年“科睿唯安“全球高被引科学家, 91项欧、美（53项）、中发明专利获授权。北京科技大学，东北大学，西安交大等大学名誉教授, 上海交大，西北工业大学，西南交通大学顾问教授。2006年与2017年分别获法国总统任命获国家荣誉骑士勋章及国家荣誉军团骑士勋章，2013年和2018年分别在中国力学大会与中国材料大会上做大会报告。2018年获中国工程院光华工程科技奖。

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