美国能源部橡树岭国家实验室（ORNL）制造示范设施的研究人员开发出了DuAlumin-3D，这是一种可3D打印的铝合金，其设计能够承受远超传统铝合金的温度。该合金专为高性能汽车和航空航天部件而设计，从概念到全尺寸汽车活塞原型仅用了不到三年时间，而这一过程过去通常需要一到二十年，并已获得R&D 100奖。
用于节能交通的耐热铝合金。图片来源：美国橡树岭国家实验室（ORNL）。
这种材料解决了在喷气发动机和汽车发动机等恶劣环境中长期存在的工程权衡难题。标准铝合金重量轻且成本低，但在高温下会失效，这迫使设计师要么接受较低的性能，要么使用更重、成本更高的钛合金、钢、镍或钴合金对部件进行过度设计。增材制造加剧了这一问题：在现有数千种常规合金中，可打印的不到0.5%，而高强度铝合金在打印冷却过程中尤其容易开裂，这种缺陷被称为热裂纹。即使化学成分改良后能够成功打印，这些合金在250–400°C（目前钛合金占主导地位的温度范围）范围内也缺乏所需的结构完整性。
合金的工作原理
DuAlumin-3D是一种铝基合金，含有铈、镍和锆。它能抵抗加工缺陷，并在打印过程中形成高比例的耐热纳米级强化颗粒，使其适用于热交换器和活塞等复杂几何形状，同时在高达400°C的温度下仍能保持其机械性能。加速的开发时间表得益于ORNL多项材料科学能力的结合：快速X射线计算机断层扫描、先进电子显微镜、机械测试、计算热力学和原位中子衍射。据该实验室称，这种设计方法可以推广用于加速其他增材制造合金的研究。
在测试中，该合金的制造密度超过99.9%，并展示了已知块状铝合金在400°C下最佳的抗蠕变性能（抗蠕变性是指材料在持续受热和应力下抵抗缓慢、永久变形的能力）。它还在350°C下表现出强大的疲劳强度，能承受反复的应力循环而不断裂。总体而言，ORNL估计该合金的工作温度比其他铝合金高出约150°C，并且在比常用合金工作温度高100°C的条件下，其抗蠕变性能与常用合金相当。
分析表明，双铝（DuAlumin）具有与其他常用合金相同的抗蠕变性能，但其工作温度可高出100摄氏度。图片来源：美国能源部橡树岭国家实验室（ORNL）。
航空和汽车领域的预期节省
经济效益基于减重和热管理。DuAlumin-3D的重量是钛合金的一半，导热性几乎是钛合金的六倍。在航空领域，用其替代热交换器中的钛合金，每架飞机可减轻数百磅；应用于整个商业机队，ORNL预计每年可节省超过5000万加仑的航空燃油，价值超过1.2亿美元。
在汽车领域，该实验室认为这种合金将实现超高效率的轻型发动机。用DuAlumin-3D替代现有铝合金，可将峰值气缸温度提高50–100°C，再结合增材制造的设计自由度，可使发动机热效率提升高达10%。ORNL估计，如果只有10%的汽车行业采用该材料，美国每年将节省约30亿美元的燃油成本。这种材料已经走出了实验室：2025年，通用汽车在其获得R&D 100奖的低质量高效率中型卡车发动机中使用了DuAlumin-3D。该研究由美国能源部先进材料与制造技术办公室以及车辆技术办公室资助。
3D打印铝材经历真实发动机高温考验
ORNL正在攻克增材制造中的一个长期存在的难题：铝在高温下会失效。其策略是双重的：填补250–400°C这一钛合金没有轻量级竞争对手的温度窗口，并利用该实验室表示可应用于其他增材制造合金的计算设计工具，将合金开发时间从数十年缩短到三年以内。能够打印并在400°C下保持性能的铝材，将取代热交换器、活塞和发动机硬件中的钛合金。
多个研究团队正在攻克同样的难题。2025年10月，麻省理工学院的研究人员利用材料建模和机器学习筛选了数十万种元素组合，研发出一种含有铒、锆和镍的铝合金，该合金打印无裂纹，在400°C热处理后抗拉强度达到395 MPa。这是一项国际性努力。2025年12月，名古屋大学利用低成本、丰富且易于回收的元素开发了一系列耐热铝合金，其中一个变体在300°C下仍保持高强度和良好延展性，目标应用是压缩机转子和涡轮部件。
差距显而易见，竞争也异常激烈：三大洲的实验室都在将可打印铝材推向曾经只有钛合金才能胜任的温度领域。DuAlumin-3D的独特之处在于其成熟度——400°C的性能已在通用汽车的量产发动机中得到验证。剩下的障碍不再是性能，而是规模化量产认证。来源：中国3D打印网
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