环形激光增材制造高强耐热铝合金新策略

近日，苏州大学谭超林教授团队联合新加坡A*STAR和南洋理工大学周琨教授在Advanced Materials 发表题为“Innovative Additive Manufacturing of Ultrahigh-Strength and Heat-Resistant Aluminum Alloy”的研究论文，苏州大学为论文第一单位和唯一通讯单位。

该研究提出了一种“材料设计+激光工艺协同创新”的新策略，即设计了一种低成本TiC7075铝合金丝材，并结合同轴环形激光定向能量沉积技术，实现了高强AA7075铝合金的无裂纹增材制造，获得了兼具高均匀性的全等轴组织、超高强度和优异耐热性能的低成本铝合金。

论文链接：

http://doi.org/10.1002/adma.74966

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针对传统高强AA7075铝合金在激光定向能量沉积过程中热裂纹敏感、组织与性能不均匀以及Sc/Zr合金化成本较高等问题，本研究采用材料-工艺协同创新策略。材料设计方面选择具有较高激光吸收能力和良好异质形核作用的TiC颗粒增强AA7075，并利用TiC在加工过程中部分分解释放Ti元素，形成“TiC颗粒异质形核+Ti溶质生长限制”的双重孕育作用；工艺方面采用同轴送丝环形激光LDED，通过均匀化熔池能量分布、降低温度梯度和冷却速率，有效抑制凝固裂纹并促进柱状晶向等轴晶转变。

在材料与工艺的协同作用下，研究实现了AA7075合金的无裂纹、高致密和全等轴细晶成形，打印件表现出良好的组织与力学性能均匀性。经T73热处理，在合金内部形成η′-MgZn2、θ′-Al2Cu和T′等多类型、多尺度纳米析出相，使材料室温屈服强度达到501-511 MPa、延伸率达到7.3%-8.1%；在250 ℃下仍保持275 MPa屈服强度和13.6%延伸率。研究进一步通过原位TEM揭示了TiC晶界钉扎及热稳定Al2Cu析出相对高温组织稳定性和力学性能的贡献，为低成本、高强、耐热铝合金增材制造提供了新的材料-工艺协同设计思路。

研究背景

高强Al-Zn-Mg-Cu系铝合金（如AA7075）因具有高比强度和良好的综合性能，被广泛应用于航空航天、轻量化结构等领域。然而，由于其凝固温度区间宽、热裂纹敏感性高，在激光增材制造过程中容易产生裂纹、粗大柱状晶以及明显的力学性能各向异性，严重限制了其工程应用。目前，Sc/Zr微合金化被认为是改善高强铝合金增材制造性能的重要方法，但昂贵的合金元素显著增加了制造成本。同时，传统激光定向能量沉积过程中较大的热梯度也难以避免柱状晶生长和凝固裂纹形成。因此，如何通过低成本材料设计与先进激光热场调控，实现高强铝合金的稳定打印、高均匀组织和优异综合性能，是金属增材制造领域亟需解决的关键问题。

本文亮点

1.材料-工艺协同创新：针对传统Sc/Zr微合金化成本较高及LDED高强铝合金晶粒细化效果受限的问题，选择兼具高激光吸收率和异质形核能力的TiC颗粒增强AA7075合金，并结合同轴送丝环形激光定向能量沉积技术，实现高强铝合金可打印性、性能与成本的协同优化。

2.环形激光热场调控：利用环形光束均匀化熔池能量分布，显著降低温度梯度与冷却速率，有效抑制热裂纹并拓宽工艺窗口，获得相对密度超过99.5%的无裂纹构件。

3.全等轴细晶组织：TiC颗粒异质形核、Ti溶质生长限制与晶界钉扎效应协同促进柱状晶向等轴晶转变，形成平均尺寸约5 μm的均匀细晶组织，显著降低增材制造构件的组织与力学性能各向异性。

4.室温-高温强塑性协同提升：T73热处理后合金室温屈服强度达到501-511 MPa、延伸率达到7.3%-8.1%；在250 ℃下仍保持275 MPa屈服强度和13.6%延伸率，实现超高强度、良好塑性与优异耐热性能的协同提升。

图文解析

针对传统高强AA7075铝合金在LDED过程中易产生凝固裂纹、柱状晶组织和力学性能各向异性等问题，本研究基于TiC/Ti双重孕育低成本合金设计策略，结合同轴送丝环形LDED技术，实现了高强铝合金的低成本、无裂纹增材制造。研究围绕“材料设计—热场调控—组织细化—析出强化—性能提升”全过程，系统揭示了环形激光与TiC颗粒协同调控熔池凝固行为、全等轴晶形成及多尺度析出强化的作用机制，实现了材料可打印性、组织均匀性与室温—高温力学性能的协同提升。

首先，研究团队从激光能量分布与熔池热场调控入手解决AA7075易产生热裂纹和柱状晶的问题。传统高斯激光束能量主要集中于光斑中心，容易在熔池内部形成较大的温度梯度和较高冷却速率，不仅增加7075铝合金的热裂纹敏感性，也会促进柱状晶沿热流方向外延生长。针对这一问题，本研究引入同轴送丝环形激光LDED技术，通过改变激光能量空间分布调控熔池热场。模拟结果表明，环形光束可降低熔池峰值温度、温度梯度以及冷却速率。更加平缓的热场有利于增强成分过冷、抑制柱状晶生长，并降低凝固裂纹形成倾向，为后续全等轴细晶组织的形成以及TiC7075合金稳定成形提供有利条件。

图1. 同轴送丝环形激光定向能沉积(LDED)TiC7075铝合金。(a) 同轴送丝LDED系统及环形激光沉积过程示意图；(b) 环形激光熔池温度分布；(c) 传统高斯激光束导致熔池中心高温集中及较大温度梯度，促进柱状晶形成；(d) 环形激光束优化能量分布，降低熔池温度梯度，促进等轴晶形成。

在材料设计方面，本研究并未采用传统高成本Sc/Zr合金化路线，而是选择TiC作为AA7075的功能增强相。其设计依据主要体现在两个方面：一方面，TiC具有较高的激光吸收能力，可改善铝合金对激光能量吸收不足的问题并提高熔池稳定性；另一方面，TiC可作为α-Al异质形核核心，同时在丝材制备和激光加工过程中部分分解释放Ti元素。Ti具有较强的生长限制作用，因此可与剩余TiC颗粒形成“异质形核+溶质生长限制”的双重孕育机制。研究通过中间母合金法实现纳米及亚微米TiC颗粒的均匀分散，并最终获得高致密TiC7075沉积块体。

图2. TiC7075铝合金的设计、丝材制备及环形光束LDED沉积。(a) 铝合金中不同元素的生长限制因子及不同陶瓷的激光吸收率；(b) 采用中间母合金法制备丝材的工艺示意图，以实现纳米TiC陶瓷颗粒的良好分散；(c) 丝材的低倍TEM图像，显示7075 Al基体中的纳米级和亚微米级TiC颗粒；(d) 丝材的高倍TEM图像，显示由TiC分解产生的纳米Ti颗粒；(e) 沉积的垂直块体照片；(f) 由micro-CT构建的缺陷三维分布，显示相对密度高于99.9%。

经过T73热处理后，TiC7075室温屈服强度达到501–511 MPa、延伸率达到7.3%–8.1%。与多种LDED铝合金相比，该合金在强度-塑性匹配方面表现突出，同时保持较低的原材料成本。更值得注意的是，在250 ℃下其屈服强度仍达到275MPa，延伸率达到13.6%，体现出优异的高温耐热能力。

图3. 同轴送丝LDED工艺制备TiC7075的性能与成本。(a) 不同状态下LDED制备TiC7075合金的拉伸应力–应变曲线及T73样品的DIC图像；(b) 本研究实现的TiC7075合金力学性能与多种LDED制备铝合金的对比；(c) 本研究中强度与原材料成本的对比关系，并与多种LDED制备铝合金进行比较；(d) 本工作实现的TiC7075铝合金250°C高温力学性能与增材制造铝合金的对比。

TiC7075的晶粒形貌及构件不同高度区域组织与性能如图4所示。熔池内部和熔池边界均形成了完全等轴晶组织，不同于传统LDED铝合金中常见的柱状晶或柱状—等轴混合组织。构件顶部、中部和底部平均晶粒尺寸接近，对应区域的拉伸性能也较为接近，说明该方法实现了沿构建方向良好的组织与性能均匀性。

图4. 环形光束LDED制备TiC7075合金的微观组织与力学性能均匀性分析。(a, b) TiC7075合金的金相组织，显示熔池内部及边界均形成等轴晶；(c) 三维EBSD重构晶粒形貌；(d) TiC颗粒在晶界区域分布；(e) 不同增材制造铝合金晶粒形貌对比；(f) 打印高度方向不同区域取样示意图；(g) 不同高度区域拉伸性能；(h) 不同区域晶粒尺寸分布。

研究进一步利用TEM分析T73热处理后TiC7075中的析出强化行为。结果表明，合金中形成了从数纳米到百纳米尺度的多类型析出相：晶界处存在较大尺寸的MgZn2析出物，晶内则分布有高密度的η′-MgZn2、θ′-Al2Cu以及T′-Mg32(Al,Zn)49等纳米析出相。其中，部分Al2Cu析出相与Al基体形成共格界面，有利于提高析出强化效率和热稳定性。

图5.T73热处理态TiC7075样品的TEM分析。(a) T73热处理后TiC7075合金TEM暗场像；(b) MgZn2析出相元素分布；(c) Al2Cu团簇结构；(d, e) Al2Cu及复合析出相元素分析；(f, g) η′-MgZn2、θ′-Al2Cu和T′-Mg32(Al, Zn) 49析出相高分辨TEM分析；(h) Al2Cu与Al基体界面结构。

为进一步确认纳米析出相的化学组成及空间分布，研究采用原子探针层析技术（APT）进行了原子尺度分析。三维原子重构显示，Cu、Zn和Mg元素在纳米尺度发生明显富集，成分分析进一步证实了MgZn2和Al2Cu等析出结构的共存，并识别出η′和T′相关富集区域。APT结果与TEM观察相互印证，形成了多种纳米析出相协同作用的强化网络，为其优异的室温强度和高温稳定性提供了进一步的微观证据。

图6.T73热处理TiC7075样品中析出相的APT表征分析。(a) Al、Cu和Zn原子分布的三维重构；(b) 显示析出相成分的邻近直方图；(c) 在10 at% Mg + 2 at% Cu处绘制的等浓度面；(d) 沿直线1和2穿过基体与析出相的一维成分分布曲线。

在激光沉积过程中，环形光束首先降低熔池温度梯度并增强成分过冷，从热场条件上抑制柱状晶外延生长；与此同时，TiC颗粒既可作为异质形核核心，又可在晶界产生Zener钉扎作用，而TiC部分分解释放的Ti元素进一步通过生长限制效应促进晶粒细化。后续T73热处理则在晶内形成高密度η′-MgZn2、θ′-Al2Cu和T′等多类型、多尺度析出相，最终形成“热场调控—双重孕育—细晶形成—多尺度析出强化”的协同组织调控机制。

图7.TiC诱导形核与多尺度析出协同强化机制示意图。(a) 环形激光与TiC颗粒相互作用下的微观组织凝固行为；(b) T73热处理后多类型、多尺度纳米析出相。

为揭示TiC7075在250 ℃下仍保持较高强度的原因，研究采用原位TEM分析其高温组织演化。结果表明，在250℃保温1h后，合金晶粒尺寸基本保持稳定，说明分布于晶界的TiC颗粒能够通过Zener钉扎有效抑制晶界迁移和晶粒粗化。虽然主要MgZn2强化相在高温下出现明显粗化，但Al2Cu析出相在热暴露表现出更优异的热稳定性。因此，TiC颗粒稳定细晶组织、过饱和固溶体以及耐热Al2Cu纳米析出相的协同作用，导致了TiC7075优异的高温力学性能。

图8. T73热处理态TiC7075样品在约25°C室温和250°C高温下的原位TEM微观组织演变观察。(a–c) 晶粒形貌演变，(d–f) 析出相演变观察（箭头所指为MgZn2），(g–i) 析出相演变的高倍观察（箭头所指为Al2Cu）（注：图g与图h, i并非同一位置）。

转载来源：材料科学与工程

作者简介

谭超林现任苏州大学教授(三级)，是江苏省特聘教授、国家海外优青、苏州创新创业领军人才、西交利物浦大学客座教授、机械工程学会增材制造分会委员、英国伯明翰大学荣誉研究员、国际先进材料协会会士(FIAAM)。华南理工大学与英国伯明翰大学联合培养博士，曾任新加坡科技局(ASTAR)制造技术研究院(SIMTech)资深科学家(Senior Scientist)、首席研究员和博导(2020-2025)。长期从事金属增材制造基础和应用研究。连续入选2022-2025全球前2%科学家榜单。主持中国和新加坡国家级项目7项；指导博后/博士生10余名。以第一作者和通讯作者在Adv. Mater.、Nat. Commun.、Mater. Today、Int. J. Mach. Tools Manuf. (IF24,6篇)、Int. J. Extreme Manuf. (IF25,6篇)、Adv. Powder Mater. (IF26.8)、Adv. Sci.等期刊发表SCI论文50余篇(包含影响因子大于24的15篇，ESI热点和高被引11篇)。出版增材制造署名专著3部。Google Scholar被引近8000次，H因子48。担任Int. J. Mach. Tools Manuf.(IF 24)、Int. J. Extreme Manuf.(IF25)、J. Mater. Inform.(IF8)、Materials、MSAM等SCI期刊编委(Editorial Board)；中科院一区期刊JMST(IF16.8)、Rare Metals (IF 12)、MRL等期刊客座编辑/青年编辑。所主导成果获评新加坡科技研究局2023年度物理与工程领域七大重大科技进展之一(排1)；获IJEM期刊(IF25)突出贡献奖、APM期刊(IF26.8)新兴科学家题名奖(全球15人)、2025年Wiley中国高贡献作者奖等荣誉。研究活动被中国中央政府网、人民网、新华社等媒体报道。

研究兴趣包括机器学习辅助开发增材制造专用金属新材料，多场耦合作用下的金属增材制造设备和成型过程机理研究，激光增材制造多尺度异质结构材料，基于新型能量源的增材制造新技术，等。谭超林团队每年招收博士生3-4名，硕士生4-5名，欢迎报考，也欢迎博士后加入团队；联系方式cltan@suda.edu.cn。

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