鋁材因其輕質(zhì)高強(qiáng)的特性，被認(rèn)為是一種用途廣泛的材料。然而，其機(jī)械性能在高溫下會(huì)顯著下降。這一限制在航空航天和汽車(chē)應(yīng)用領(lǐng)域構(gòu)成不利影響，因?yàn)檫@些領(lǐng)域的渦輪機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)等部件需要極高的耐熱性。

為了克服這一難題，日本名古屋大學(xué)的研究人員利用金屬3D打印技術(shù)，研發(fā)出一系列新型鋁合金，這些合金在機(jī)械強(qiáng)度和耐熱性方面均進(jìn)行了優(yōu)化。所有新型合金均采用價(jià)格低廉、易于獲取且可回收的元素。此外，其中一種合金在高達(dá)300°C的溫度下仍能保持強(qiáng)度和柔韌性。該研究成果近期發(fā)表于《自然通訊》雜志。

超越傳統(tǒng)，打造“完美鋁合金”

研究人員開(kāi)發(fā)了一種系統(tǒng)的方法，可以預(yù)測(cè)哪些元素能夠增強(qiáng)鋁基體，哪些元素能夠形成保護(hù)性的微結(jié)構(gòu)或納米結(jié)構(gòu)。他們通過(guò)制備基于銅、錳和鈦的新型合金來(lái)驗(yàn)證這些預(yù)測(cè)，然后使用電子顯微鏡確認(rèn)了結(jié)果。

性能最佳的合金包含鋁、鐵、錳和鈦。它的性能優(yōu)于所有其他3D打印鋁材料，兼具高溫強(qiáng)度和室溫柔韌性。

3D打印后鋁合金的顯微照片（圖片來(lái)源：Takata等人，2025）

“該設(shè)計(jì)以鐵為重點(diǎn)，冶金學(xué)家通常不會(huì)在鋁中添加鐵，因?yàn)檫@會(huì)使金屬變脆，容易腐蝕，”名古屋大學(xué)工程研究生院教授、該研究的主要作者高田直樹(shù)解釋道。

上圖展示了3D打印如何在不同微觀尺度上改變鋁合金的結(jié)構(gòu)。圖中可見(jiàn)以下過(guò)程（從上到下）：逐層熔化和凝固過(guò)程、決定機(jī)械強(qiáng)度的內(nèi)部晶粒排列，以及材料內(nèi)部和邊緣微觀顆粒的分布——這些都是影響材料在載荷和高溫下性能的關(guān)鍵因素。

利用3D打印技術(shù)重新思考鋁的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

這項(xiàng)重大突破得益于激光粉末床熔融技術(shù)的應(yīng)用。正如高田直樹(shù)教授解釋的那樣，這項(xiàng)技術(shù)能夠?qū)㈣F和其他元素“捕獲”在亞穩(wěn)態(tài)，而這是傳統(tǒng)生產(chǎn)方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。通過(guò)系統(tǒng)化的設(shè)計(jì)方法，研究團(tuán)隊(duì)找到了能夠增強(qiáng)鋁基體并形成保護(hù)性微結(jié)構(gòu)和納米結(jié)構(gòu)的元素，從而在不影響可打印性的前提下提高了強(qiáng)度和耐熱性。

名古屋大學(xué)的項(xiàng)目首席研究員高田直樹(shù)（左）和愛(ài)知產(chǎn)業(yè)科學(xué)技術(shù)中心的主要作者兼部門(mén)主管加藤正樹(shù)（右）與該中心的激光3D打印機(jī)合影，該打印機(jī)能夠制造更堅(jiān)固、更耐熱的鋁合金。

新研發(fā)的鋁鐵合金富含銅、錳和鈦，兼具輕質(zhì)、高機(jī)械強(qiáng)度和高溫穩(wěn)定性。這種設(shè)計(jì)使得添加的元素能夠強(qiáng)化金屬的內(nèi)部結(jié)構(gòu)并提高其延展性，從而制造出性能更優(yōu)、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，使該解決方案不僅技術(shù)先進(jìn)，而且環(huán)境可持續(xù)。

高田教授還強(qiáng)調(diào)：“我們的方法基于已確立的科學(xué)原理，即元素在3D打印快速凝固過(guò)程中的行為，并且適用于其他金屬。合金也已被證明比傳統(tǒng)的高強(qiáng)度鋁更容易進(jìn)行3D打印，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的鋁在制造過(guò)程中經(jīng)常會(huì)開(kāi)裂或變形?！?/span>

更輕便、污染更少的車(chē)輛

這種新材料可以用于制造在高溫下運(yùn)行的部件（例如壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子和渦輪機(jī)部件）的輕質(zhì)鋁制部件。

航空航天業(yè)也能從中受益，因?yàn)轱w機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)需要兼具輕質(zhì)和耐熱性的材料。最后，這項(xiàng)研究為設(shè)計(jì)專(zhuān)用于3D打印的新型金屬材料提供了一個(gè)框架，這有望加速各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展。

用于3D打印新型鋁合金的精細(xì)金屬粉末。每個(gè)顆粒的直徑小于20微米。激光逐層熔化這些顆粒，最終構(gòu)建出金屬零件。

編譯整理：3dnatives