面向激光增材制造的高性能可持续铝铁基多元合金设计：微观结构调控与性能突破

《Nature Communications》：Design of high-performance sustainable aluminum alloy series for laser additive manufacturing

本研究针对传统高强铝合金在激光粉末床熔融（PBF-LB）过程中易产生热裂纹、难以兼顾高强度与可持续性的难题，开发了基于回收友好型铝铁基的多元合金系列。通过调控Cu、Mn、Ti等元素在凝固过程中分别偏析至液相（形成亚稳Al6Fe强化相）或固相（α-Al基体），成功实现了Al6Fe相的稳定化、纳米析出相强化及晶粒细化，使合金在室温至300℃均展现优异力学性能（300℃屈服强度>220 MPa），为增材制造用可持续高性能铝合金设计提供了新范式。

　　

在航空航天和交通运输领域，轻质高强的铝合金一直是结构材料的首选。然而，当传统的锻造铝合金（如Al-Cu、Al-Mg-Si系列）通过激光粉末床熔融（PBF-LB）这一新兴增材制造技术进行加工时，却面临一个棘手难题：快速凝固过程中极易产生热裂纹，导致成形件性能大幅下降。目前工业界广泛采用的PBF-LB专用铝合金主要是近共晶Al-Si系列，虽然工艺性良好，但其力学性能尤其是高温强度往往难以满足苛刻工况需求。更关键的是，从可持续发展视角来看，现有合金对原料纯度要求高，与利用含杂质元素的回收铝废料实现循环经济的趋势存在矛盾。

面对这一挑战，日本名古屋大学Naoki Takata教授团队独辟蹊径，将目光投向了铝铁基合金。铁是回收铝料中最常见的杂质元素，在传统铸造工艺中会形成粗大脆性金属间化合物，严重损害材料性能。但研究团队发现，在PBF-LB极高的冷却速率（超过10⁶K/s）下，铝铁合金反而能形成纳米尺度的亚稳Al₆Fe相，替代平衡态下脆性的Al₁₃Fe₄相，展现出优异的加工性和力学性能。这为开发回收友好型高性能铝合金带来了曙光。

那么，如何进一步优化铝铁基合金，使其在PBF-LB过程中能精准调控微观结构，从而同时实现高强度、良好塑性和高温稳定性？研究团队提出了一个创新的合金设计理念：利用合金元素在凝固过程中不同的偏析倾向性来定向调控微观结构。具体而言，根据Al-X二元相图特征，可将合金元素分为两类：一类如Cu、Mn，其液相线斜率（m_X^L）为负值，分配系数（k_X^S/L< 1），倾向于偏析至液相，最终富集于二次凝固相（如Al₆Fe相）中；另一类如Ti，其m_X^L为正值，k_{X^S/L> 1，倾向于进入固相α-Al基体，实现固溶强化。}

基于这一理念，团队系统研究了PBF-LB成形的Al-Fe-X（X: Cu, Mn, Ti）三元合金。研究发现，Cu和Mn确实优先偏析至Al₆Fe相中，形成(Al,Cu)₆Fe和Al₆(Fe,Mn)相，有效稳定了亚稳相并提高了其体积分数。而Ti则主要固溶于α-Al基体中，不仅提供了显著的固溶强化效果，还通过诱导纳米Al₃Ti相异质形核，实现了晶粒细化，大幅改善了材料塑性。

力学性能测试结果验证了设计思路的正确性。Al-Fe-Cu和Al-Fe-Mn合金的室温强度显著提升（屈服强度超过350 MPa），而Al-Fe-Ti合金则表现出高达15%的均匀伸长率，且各向异性明显减弱。高温性能方面，Al-Fe-Mn合金在300℃仍保持超过220 MPa的屈服强度，表现尤为突出；而Al-Fe-Cu合金因Cu元素扩散速率较快，其强化相在高温下易粗化，导致强度下降较为明显。

进一步地，团队将Cu和Mn（均为共晶型稳定剂）组合，开发了Al-Fe-Cu-Mn四元合金。该合金同时获得了Mn提高Al₆Fe相分数和Cu引入纳米析出相带来的强化效果，室温抗拉强度达到约450 MPa。更重要的是，团队还设计了Al-Fe-Mn-Ti四元合金，利用Mn稳定Al₆Fe相、Ti固溶强化并抑制高温粗化的协同作用，使合金在300℃长期热暴露后仍能保持稳定的高强度（>250 MPa）和良好的室温塑性（伸长率14-17%），在高温强度与室温塑性的平衡方面超越了多数已报道的PBF-LB制备耐热铝合金。

本研究主要关键技术方法包括：采用气雾化法制备成分精确控制的合金粉末；通过系统优化激光功率（P）和扫描速度（v）等PBF-LB工艺参数以获得高致密度（>99%）试样；利用光学显微镜、扫描电镜（SEM）、电子背散射衍射（EBSD）、透射电镜（TEM）及X射线能谱仪（EDS）进行多尺度微观结构表征；在室温至300℃范围内进行单轴拉伸试验以评估力学性能。

Role of alloying elements: Al-Fe-X ternary alloys

通过微观结构分析发现，Al-Fe-Cu和Al-Fe-Mn合金中Cu和Mn富集于Al₆Fe相，形成置换固溶体；而Ti则主要固溶于α-Al基体。EBSD分析显示Ti的添加诱导了异质形核，形成了等轴细晶。力学测试表明，Cu和Mn添加提升强度，Ti添加则显著改善塑性并减弱各向异性。高温拉伸揭示Mn对Al₆Fe相的稳定化作用有助于保持高温强度。

Combined effect of alloying elements: further enhanced formation of Al₆Fe phase

在Al-Fe-Cu-Mn四元合金中，Cu和Mn协同作用，进一步稳定和强化了Al₆Fe相，同时保留了Cu添加引入的纳米析出相，使合金实现了高强度与适度塑性的结合。

Combined effect of alloying elements: towards high-temperature applications

在Al-Fe-Mn-Ti四元合金中，Mn（偏析至Al₆Fe相）和Ti（偏析至α-Al基体）的分配行为相互独立，互不干扰。这种独立调控使得合金同时具备了Mn稳定Al₆Fe相带来的高温强度，以及Ti固溶强化和抑制扩散带来的热稳定性，从而实现了优异的高温性能。

研究结论与讨论部分强调，这项研究成功构建了一套基于元素偏析行为调控的铝合金设计新策略，并验证了其在PBF-LB技术中制备高性能可持续铝合金的可行性。通过精确控制Cu、Mn、Ti等元素在快速凝固过程中的分配路径，实现了对α-Al/Al₆Fe两相微观结构的精细调控。这不仅显著提升了合金的室温及高温力学性能，更重要的是，该合金系列以富含Fe等“杂质”元素的回收铝料为基础，极大地促进了材料循环利用，与可持续发展目标高度契合。该设计理念不仅适用于铝合金体系，还有望推广至钢铁、钛合金、镍基合金等其他金属材料体系的增材制造技术开发中。这项发表于《Nature Communications》的工作，为增材制造领域高性能材料的设计开辟了新的道路。