北航材料学院在3D打印耐热高强铝合金方向取得新进展

近日，北京航空航天大学材料科学与工程学院马朝利、郑瑞晓团队，联合中国科学院金属研究所张哲峰、刘增乾团队，美国加州大学伯克利分校Robert O. Ritchie团队提出了一种仿生纳米限域设计新策略，在3D打印耐热高强铝合金研究方面取得新进展。相关研究成果以“3-D printed ultrastrong heat-resistant aluminum alloy achieved by bioinspired nanoscale amorphous confinement”为题，发表于国际材料顶级期刊《Materials Today》。

长期以来，铝合金耐热性不足一直是制约其高温结构应用的关键问题。铝合金具有轻质、高强、耐蚀性好的性能优势，在航空航天、交通运输等领域应用广泛。但与钢和钛合金相比，其在高温下更易发生强度衰减、组织粗化和蠕变变形。现有耐热铝合金多依赖弥散第二相颗粒强化，通过阻碍位错运动和晶界迁移提升高温性能。然而，离散颗粒在高温下容易粗化，颗粒间距增大后对位错、晶界和原子扩散的约束能力下降，限制了其强化潜力。可见，仅依靠传统机制已难以满足铝合金的高温应用需求。

研究团队以高溶质含量的FVS0812铝合金为对象，利用激光粉末床熔融（LPBF）快速凝固过程中的溶质再分配，在合金内部原位形成连续三维“晶体-非晶”互穿网络结构；同时引入纳米TiB2颗粒作为形核剂，促进等轴晶形成并抑制热裂纹。该打印合金晶粒细小且成形性良好，能够直接制造复杂构件。同时，该合金实现了“打印即用”，无需后续热处理便展现出突破性的力学表现。其室温抗拉强度高达676 MPa，较现有增材制造铝合金提升至少100 MPa。在高温环境下，其力学性能同样出众：400℃以下的抗拉强度较同类材料高出180 MPa以上；300℃以下的比强度更是超越了常用的Ti-6Al-4V钛合金，且抗蠕变能力显著提升。

图1. 打印态合金的拉伸性能与蠕变行为

这种优异的力学性能及热稳定性，得益于其独特的纳米尺度的“晶体-非晶”连续互穿网络结构。该结构能在微观尺度上对位错运动和晶界迁移施加持续约束。测试表明，即使在300℃高温下持续暴露100小时，合金的微观结构依然保持稳定，仍能保留80%以上的原始强度。这一成果为航空航天等领域轻量化耐热构件的直接制造提供了极具潜力的全新方案。

图2. 打印态合金晶体-非晶连续互穿网络结构

该工作中，北京航空航天大学的李明溪博士、刘茂文副研究员、李国栋助理研究员为论文共同第一作者，北京航空航天大学郑瑞晓教授、中国科学院金属研究所刘增乾研究员和美国加州大学伯克利分校Robert O. Ritchie教授为共同通讯作者。研究得到了国家自然科学基金、浙江省“尖兵领雁”研发攻关计划、中国科学院青年创新促进会、中国科学院国际伙伴计划和辽宁省优秀青年基金等项目资助。

论文链接（或点击下方“阅读原文）：

https://doi.org/10.1016/j.mattod.2026.103267

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