麻省理工學(xué)院研究人員開發(fā)出一種新型鋁合金，有望改變輕質(zhì)高強度部件的3D打印方式。這項發(fā)表于《先進材料》的研究利用激光粉末床融合技術(shù)中金屬快速凝固的特性，通過精確控制元素配比，成功創(chuàng)造出兼具耐熱性、抗裂性和高強度的新型材料。

在S. Mohadeseh Taheri-Mousavi博士的帶領(lǐng)下，研究團隊發(fā)現(xiàn)當(dāng)鋁在激光作用下快速冷卻時，其原子會形成傳統(tǒng)鑄造工藝中難以出現(xiàn)的亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)。通過精心調(diào)配鋁與微量鉺、鋯、鎳、釔和鐿的組合，他們成功利用這些短暫存在的結(jié)構(gòu)，在金屬內(nèi)部生成細(xì)小穩(wěn)定的強化顆粒。

快速凝固實現(xiàn)穩(wěn)定強度

傳統(tǒng)高強度鋁合金依靠細(xì)小顆粒阻礙位錯運動來獲得強度，但在高溫環(huán)境下這些顆粒容易粗化導(dǎo)致性能下降。新型合金通過快速凝固首先形成含鎳和稀土元素的亞微米級亞穩(wěn)態(tài)相，隨后在400°C熱處理中轉(zhuǎn)變?yōu)榧{米級鋁基強化相。這些顆粒即使長時間處于高溫環(huán)境仍能保持精細(xì)分散狀態(tài)。

研究團隊結(jié)合計算機材料建模與機器學(xué)習(xí)技術(shù)，篩選數(shù)十萬種元素組合后，最終確定最佳配比為鋁基體添加0.4%鉺、1%鋯和1.33%鎳。該成分不僅有效避免了限制鋁合金增材制造應(yīng)用的熱裂問題，還實現(xiàn)了致密無缺陷的打印效果。

經(jīng)400°C/8小時熱處理后，該材料抗拉強度達(dá)到395 MPa，是同等成分鑄造材料的五倍，比已知最優(yōu)的可打印鋁合金強度提升約50%。其硬度可與最強商用變形鋁合金7075媲美，同時克服了7075合金在打印中的脆裂難題。

顯微分析顯示，打印后的合金內(nèi)部均勻分布著納米級鋁基顆粒網(wǎng)絡(luò)。這些顆粒在長時間加熱后仍保持穩(wěn)定，印證了材料抗粗化能力。細(xì)晶結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定顆粒的協(xié)同作用共同保障了其高強度與熱穩(wěn)定性。

拓展應(yīng)用前景

研究表明，這種結(jié)合計算模擬與實驗驗證的方法可顯著加速增材制造專用合金的開發(fā)進程。通過在完整打印前進行建模、機器學(xué)習(xí)和小規(guī)模激光測試，研究團隊成功在廣闊設(shè)計空間中高效定位最優(yōu)配方。

該方法同樣適用于航空航天和能源系統(tǒng)使用的鎳基高溫合金等其他金屬體系。利用快速凝固控制亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)的設(shè)計原理，還可開發(fā)出強度、延展性與耐熱性更均衡的可打印材料，滿足更廣泛的工業(yè)需求。

全球高強度可打印鋁合金研發(fā)現(xiàn)狀

除麻省理工外，橡樹嶺國家實驗室近期測試了專為3D打印與高溫汽車部件研發(fā)的DuAlumin 3D合金。與傳統(tǒng)鋁合金在激光粉末床融合中易產(chǎn)生裂紋不同，該材料展現(xiàn)出優(yōu)異的可打印性與熱學(xué)性能，其抗裂性與高溫穩(wěn)定性使其成為輕量化高效能發(fā)動機部件的理想候選，在航空航天和熱交換器領(lǐng)域同樣具有應(yīng)用潛力。

八年前，HRL實驗室通過納米顆粒功能化技術(shù)，成功實現(xiàn)迄今被認(rèn)為不可焊接的Al7075和Al6061等高強鋁合金的3D打印。發(fā)表于《自然》雜志的該技術(shù)采用鋯基納米涂層作為凝固過程中的形核點，徹底消除了熱裂紋并保持合金全強度。這項低成本、可擴展的工藝還可延伸至高強度鋼和鎳基高溫合金等難打印材料，拓寬了增材制造在航空航天與工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用邊界。