铝材因其轻质高强的特性，被认为是一种用途广泛的材料。然而，其机械性能在高温下会显著下降。这一限制在航空航天和汽车应用领域构成不利影响，因为这些领域的涡轮机和发动机等部件需要极高的耐热性。
为了克服这一难题，日本名古屋大学的研究人员利用金属3D打印技术，研发出一系列新型铝合金，这些合金在机械强度和耐热性方面均进行了优化。所有新型合金均采用价格低廉、易于获取且可回收的元素。此外，其中一种合金在高达300°C的温度下仍能保持强度和柔韧性。该研究成果近期发表于《自然通讯》杂志。
超越传统，打造“完美铝合金”
研究人员开发了一种系统的方法，可以预测哪些元素能够增强铝基体，哪些元素能够形成保护性的微结构或纳米结构。他们通过制备基于铜、锰和钛的新型合金来验证这些预测，然后使用电子显微镜确认了结果。
性能最佳的合金包含铝、铁、锰和钛。它的性能优于所有其他3D打印铝材料，兼具高温强度和室温柔韧性。
3D打印后铝合金的显微照片（图片来源：Takata等人，2025）
“该设计以铁为重点，冶金学家通常不会在铝中添加铁，因为这会使金属变脆，容易腐蚀，”名古屋大学工程研究生院教授、该研究的主要作者高田直树解释道。
上图展示了3D打印如何在不同微观尺度上改变铝合金的结构。图中可见以下过程（从上到下）：逐层熔化和凝固过程、决定机械强度的内部晶粒排列，以及材料内部和边缘微观颗粒的分布——这些都是影响材料在载荷和高温下性能的关键因素。
利用3D打印技术重新思考铝的内部结构
这项重大突破得益于激光粉末床熔融技术的应用。正如高田直树教授解释的那样，这项技术能够将铁和其他元素“捕获”在亚稳态，而这是传统生产方法无法实现的。通过系统化的设计方法，研究团队找到了能够增强铝基体并形成保护性微结构和纳米结构的元素，从而在不影响可打印性的前提下提高了强度和耐热性。
名古屋大学的项目首席研究员高田直树（左）和爱知产业科学技术中心的主要作者兼部门主管加藤正树（右）与该中心的激光3D打印机合影，该打印机能够制造更坚固、更耐热的铝合金。
新研发的铝铁合金富含铜、锰和钛，兼具轻质、高机械强度和高温稳定性。这种设计使得添加的元素能够强化金属的内部结构并提高其延展性，从而制造出性能更优、更耐用的部件。此外，所有合金均采用可回收且低成本的材料，使该解决方案不仅技术先进，而且环境可持续。
高田教授还强调：“我们的方法基于已确立的科学原理，即元素在3D打印快速凝固过程中的行为，并且适用于其他金属。合金也已被证明比传统的高强度铝更容易进行3D打印，因为传统的铝在制造过程中经常会开裂或变形。”
更轻便、污染更少的车辆
这种新材料可以用于制造在高温下运行的部件（例如压缩机转子和涡轮机部件）的轻质铝制部件。
航空航天业也能从中受益，因为飞机发动机需要兼具轻质和耐热性的材料。最后，这项研究为设计专用于3D打印的新型金属材料提供了一个框架，这有望加速各个工业领域的发展。
用于3D打印新型铝合金的精细金属粉末。每个颗粒的直径小于20微米。激光逐层熔化这些颗粒，最终构建出金属零件。
编译整理：魔猴
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