新型耐熱合金：在日本，3D打印正在拓展鋁材的邊界

魔猴君  科技前沿   1天前

鋁材因其輕質(zhì)高強的特性，被認為是一種用途廣泛的材料。然而，其機械性能在高溫下會顯著下降。這一限制在航空航天和汽車應用領(lǐng)域構(gòu)成不利影響，因為這些領(lǐng)域的渦輪機和發(fā)動機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，這些合金在機械強度和耐熱性方面均進行了優(yōu)化。所有新型合金均采用價格低廉、易于獲取且可回收的元素。此外，其中一種合金在高達300°C的溫度下仍能保持強度和柔韌性。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”

研究人員開發(fā)了一種系統(tǒng)的方法，可以預測哪些元素能夠增強鋁基體，哪些元素能夠形成保護性的微結(jié)構(gòu)或納米結(jié)構(gòu)。他們通過制備基于銅、錳和鈦的新型合金來驗證這些預測，然后使用電子顯微鏡確認了結(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，兼具高溫強度和室溫柔韌性。

3D打印后鋁合金的顯微照片（圖片來源：Takata等人，2025）

“該設計以鐵為重點，冶金學家通常不會在鋁中添加鐵，因為這會使金屬變脆，容易腐蝕，”名古屋大學工程研究生院教授、該研究的主要作者高田直樹解釋道。

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)。圖中可見以下過程（從上到下）：逐層熔化和凝固過程、決定機械強度的內(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)

這項重大突破得益于激光粉末床熔融技術(shù)的應用。正如高田直樹教授解釋的那樣，這項技術(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)方法無法實現(xiàn)的。通過系統(tǒng)化的設計方法，研究團隊找到了能夠增強鋁基體并形成保護性微結(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度和耐熱性。

名古屋大學的項目首席研究員高田直樹（左）和愛知產(chǎn)業(yè)科學技術(shù)中心的主要作者兼部門主管加藤正樹（右）與該中心的激光3D打印機合影，該打印機能夠制造更堅固、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)、高機械強度和高溫穩(wěn)定性。這種設計使得添加的元素能夠強化金屬的內(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，而且環(huán)境可持續(xù)。

高田教授還強調(diào)：“我們的方法基于已確立的科學原理，即元素在3D打印快速凝固過程中的行為，并且適用于其他金屬。合金也已被證明比傳統(tǒng)的高強度鋁更容易進行3D打印，因為傳統(tǒng)的鋁在制造過程中經(jīng)常會開裂或變形?！?/span>

更輕便、污染更少的車輛

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

航空航天業(yè)也能從中受益，因為飛機發(fā)動機需要兼具輕質(zhì)和耐熱性的材料。最后，這項研究為設計專用于3D打印的新型金屬材料提供了一個框架，這有望加速各個工業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展。

用于3D打印新型鋁合金的精細金屬粉末。每個顆粒的直徑小于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