金属增材制造已从原型制造发展到工业化生产，为合金设计和性能提升开辟了新视野，因为其快速凝固特性扩展了新型合金的成分空间，并且由此带来的物理化学性能增益为高性能工业应用提供了有吸引力的解决方案。随着航空航天和汽车应用对高强度铝合金的需求日益增长，传统高强度变形铝合金通过增材制造技术加工存在工艺性差的难题。共晶微观结构既提供了大体积的强化相，也为快速凝固提供了更好的工艺性。 最近的研究表明，共晶铝合金适用于增材制造，能够克服冶金挑战并实现可打印性与性能的协同。
本期谷·专栏分享的是Journal of Materials Science & Technology中发表的综述论文“Eutectic aluminum alloys fabricated by additive manufacturing: A comprehensive review”。该文详细阐述了共晶理论及微观结构演变，随后阐述了静态力学性能及在常温和高温下的长期服役行为(蠕变、疲劳和腐蚀)，强化机制，以及此后在增材制造制备的铝合金中定制的设计策略。该综述旨在为新型铝合金的开发提供新的见解，并引起增材制造界的关注，以应对轻量化工程材料更高要求的挑战。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.addma.2025.104958
研究背景
增材制造技术的研究已成为工业界和科学界多学科融合的焦点。增材制造在金属制造领域获得了相当多的关注，因为它打破了微米级逐层制造策略下材料几何形状的限制。根据热源和原材料使用的分类，已确定了四种主要的金属增材制造技术:激光粉末床熔融、电弧增材制造、直接能量沉积和电子束熔化。然而，并非所有材料(尤其是合金)，都能通过增材制造进行加工。目前，只有有限数量的合金可以在快速凝固过程中成功打印并保证沉积质量。此外，即使是大多数可打印的合金，也存在严重的性能各向异性、冶金缺陷和制造后低延展性等问题。鉴于这些挑战，探索新型合金成分成为寻求定制化解决方案的一条务实途径，提供了与传统合金体系的分离。
在工程领域，铝合金作为轻质、高强度的结构材料发挥着关键作用，特别是在自动化系统中。铝合金是世界上消耗量第二大的金属，仅次于钢铁。在过去十年中，关于通过增材制造生产的铝合金的科学出版物数量大幅激增(出版物数量从2013年的3篇增加到2024年的301篇)。值得注意的是，超过60%的研究集中在LPBF，其次是22%采用 WAAM。然而，大多数铝合金在增材制造工艺性方面面临挑战。这些研究中有很大一部分报告了近共晶铝成分，突显出人们日益认识到缩小凝固温度范围对于减轻热裂纹和提高可打印性至关重要。
通过增材制造制造的传统高强度变形铝合金(2系、6系、和7系)很难实现无裂纹微观结构和＞99%的致密化行为。孕育处理已越来越多地应用于金属增材制造，重点是铝合金，以生成等轴晶微观结构并消除冶金缺陷(气孔和裂纹)。孕育处理的基本原理是引入形核剂以促进异质形核，或掺入溶质以在固/液界面前沿诱导快速成分过冷。在实践中，通过外部添加或原位形成纳米形核剂进行孕育处理，可以极大地细化晶粒。这种方法已被应用于LPBFed Al-2024(外部添加纳米-Ti)、WAAMed Al-6063(原位形成 TiB2)、LPBFed Al-7075(外部添加纳米-ZrH2)。然而，纳米改性的原始粉末通常涉及繁琐的粉末制备过程，因此在成本控制和适合大规模工业实施方面未能提供优势。
开发高强度增材制造铝合金的主要挑战是其对热裂纹的敏感性。目前大多数可打印的铝合金仍然属于近共晶Al-Si基成分的范畴(例如Al-75i-0.6Mg、Al-105i-Mg、和Al-125i)，因为它们具有较短的凝固范围，从而具有较低的裂纹敏感性。此外，还存在一类独特的可打印铝合金，其特征是Sc改性。这些Sc改性变体表现出柱状到等轴晶的晶粒结构转变，同时降低了热裂纹敏感性，以Scalmalloy®(Al-Mg-Sc基合金)为代表。例如，Sc改性的Al-6Mg-1.35i-0.25c-0.12r和Al-62n-1.9Mg-0.8Sc-0.22r合金表现出优异的可打印性和拉伸性能。遗憾的是，这些合金的更广泛应用可能因Sc的高价格而受到限制。
基于这些见解，近期的增材制造研究越来越多地采用基于共晶的设计来解决热裂纹和工艺性差的问题。特别是，传统的共晶反应已被用来产生共晶微观结构、消除热裂纹并增强性能。其基本原理包括缩小凝固范围以利于缩孔的液态补缩，以及产生大量表现出晶粒细化效应和优异耐热性的共晶相。共晶转变由以下反应描述:
液态→共晶温度→α(固溶体)+β(固溶体)
这种转变表现出热化学平衡的典型特征，包括在恒定温度下相变期间的热停滞，同时伴随着液相和两个固溶体共存。共晶凝固已在各种材料中观察到，包括铁(Fe-4.3×C)、镍基高温合金(Ni80Sn02、Ni77Al12Zr11 at.%)、铝合金(Al-125i、Al-10Ce和Al-6Ni)、钛合金(Ti70.5Fe29.5、Ti54Ni92Al14 at.%)和高熵合金(AlCoGFeNi21、AlGFeNi和Fe30Ni20Mn39Al15 at.%)。低熔点共晶可以有效降低凝固范围，改善焊接性，并增强优异的抗热裂纹性。热力学计算证实了采用共晶系统改善工艺性的可行性。此外，大量的共晶相有助于微观结构强化。在增材制造生产的铝合金中，引入共晶凝固是一种务实的设计策略。增材制造的共晶基铝合金展现出若干优点，包括相对简单的原始粉末制备过程、扩大的工艺窗口以及多种强化机制的激活，从而获得具有优异可打印性与性能协同作用的合金。
通过回顾铝合金的最新进展，该研究介绍了用于增材制造的三种主要类别的共晶铝合金，每种都具有独特的微观结构特征和应用潜力:
【1】Al-Si(-Mg)合金
Al-Si(-Mg)合金由于其共晶结构而表现出优异的可打印性，并在常温下显示出中等的拉伸性能。然而，由于Si颗粒的粗化，它们的强度在超过200℃时显著下降，使其不适合高温应用。
【2】Al-TM(过渡金属)合金
包括Al-Fe、Al-Ni、Al-Cu-(Li)和Al-Mn。Al-TM合金具有高体积分数的第二金属间化合物相，使其特别适合增材制造技术，并且易于通过合金化设计进行调整。
【3】含稀土元素的铝合金
包括Al-Ce和Al-La。稀土铝合金具有高度细化的共晶微观结构和丰富的耐热相，以实现卓越的高温性能和高温下的强度保持。
基于对相关文献的广泛考察，该研究在第二章节中深入探讨了增材制造技术、冶金学中的共晶概念以及铝合金中的共晶凝固。随后，第三和第四章节分别阐述了增材制造制备的共晶铝合金的微观结构演变和力学性能。接着，第五章节深入探讨了它们的热稳定性、长期服役行为(蠕变、疲劳和腐蚀)以及针对高温服役的定制策略。最后，在第六章节总结了关键点，并就高强度铝合金发展的当前最新技术水平向增材制造界提出了新的见解。除非另有说明，所有合金成分均以质量百分比表示。
研究亮点
【1】系统性分类与评述
首次系统地将适用于增材制造的共晶铝合金归纳为三大体系:Al-Si(-Mg)、Al-过渡金属和Al-稀土合金，并清晰阐述了各自的微观结构特征、性能优势与应用潜力。
该研究构建了一个清晰的增材制造共晶铝合金家族谱系，为后续研究提供了系统性的选材和设计框架。
【2】阐明“可打印性”机理
深入阐述了共晶成分通过缩小凝固区间、促进液态补缩和细化晶粒来从根本上抑制增材制造中关键缺陷——热裂纹的内在机理。
从理论上揭示了共晶设计是实现铝合金高“可打印性”的关键，为解决传统高强铝合金增材制造难题提供了核心原理。
【3】揭示高性能根源
详细分析了增材制造快速凝固与共晶反应协同作用所创造的独特微观结构，并系统梳理了其带来的多种强化机制。
明确了增材制造共晶铝合金的高性能源于快速凝固与共晶反应共同塑造的异质、多尺度微观结构及其协同强化效应。
【4】聚焦高温应用前瞻
突破传统铝合金的温度限制，重点评述了Al-TM和Al-RE合金在300–400℃区间的优异力学性能、蠕变抗力和热稳定性，指明了其在高温轻量化部件中的应用前景。
将增材制造铝合金的服役温度边界推向新高，开启了铝合金在中高温领域替代更重材料的可能性。
学术贡献
该研究打破了传统合金设计与增材制造工艺性之间的壁垒，倡导了一种面向增材制造的一体化合金设计哲学，完善和深化了适用于增材制造异质微观结构的强化理论体系，为定量化性能预测与优化提供了理论基础；同时将材料研究从“经验探索”引向“数据与物理模型驱动”的新范式，为开发下一代耐热增材制造铝合金提供了清晰且可行的材料设计路线图，为领域未来发展指明了战略方向。
【1】提出“可打印性-性能”协同设计范式
确立了以共晶反应为核心，同时兼顾良好工艺性和优异综合性能的铝合金增材制造合金设计新范式。
【2】整合并深化了强化机制理论
不仅总结了四大传统强化机制，还特别强调了在增材制造共晶铝合金中尤为重要的几何必需位错强化、负载传递强化和准晶强化等额外机制。
【3】指明高温性能优化双策略
明确提出了提升增材制造铝合金高温性能的两个核心策略:利用低溶解度/扩散性溶质元素保障热稳定性，以及通过界面/晶界偏析设计来抑制组织退化。
【4】展望智能化设计未来
前瞻性地指出了结合集成计算材料工程、机器学习和新兴增材制造技术，是实现共晶铝合金“设计-制造-性能”一体化智能开发的核心方向。
图文解析
这篇综述通过一系列图表，系统地展示了增材制造共晶铝合金从工艺原理、微观结构演化、性能表现到强化机制的全景图。它们共同有力地论证了共晶设计是解决铝合金增材制造难题并实现其高性能化的有效途径。
图3:Al-X二元共晶相图及微观结构演变示意图
典型的二元共晶相图模型，并标注了亚共晶、共晶和过共晶成分区的典型凝固组织。解释了共晶反应的基本冶金学原理，为理解共晶合金窄凝固区间、低热裂敏感性的本质提供了理论基础。
图4:不同方法制备的Al-12Si合金的共晶形貌 [(a)铸造(b)LPBF(c)WAAM(d)DED]
该图直接证明了增材制造工艺(及其冷却速率)是决定最终微观结构的关键因素。LPBF极高的冷却速率产生了纳米尺度的共晶Si，而WAAM较慢的冷却速率则形成dendritic结构。
图5:LPBF制备的四种不同体系共晶铝合金的典型微观结构 [(a)Al-Si(b)Al-Ni(c)Al-Cu(d)Al-Fe]
该图强调了合金成分本身决定了共晶相的形貌，即使在同一加工技术下，不同体系的共晶结构也截然不同，丰富了共晶微观结构的多样性。
图6:LPBF制备Al-9Cu-6Ce-(1Zr)合金的STEM-HAADF图像和APT分析
图7:LPBF制备AlSi10Mg合金中Si颗粒的塑性变形机制和异质微观结构
该图证明了在纳米尺度下Si相可以发生塑性变形，突破了“Si相是脆性相”的传统认知。同时揭示了LPBF制备合金中存在的复杂异质结构，这些结构对强化和应变硬化有重要贡献。
图8:凝固末期沿晶界热裂纹形成机理示意图[(a)液体补缩抗裂、(b)晶粒分离致裂]
该图形象地说明了热裂纹产生的两个关键因素:液体无法补缩晶粒间的分离，以及晶粒间缺乏横向连接(桥接)。直观解释了热裂纹的形成机理，为理解共晶设计如何通过提供更多液相和促进晶粒细化来抑制热裂纹提供了理论模型。
图9:Al-Mg和Al-Mg-Si体系的T-√fs曲线及裂纹敏感性指数计算
图10:LPBF制备Al-3Ni-1Ti-0.8Zr合金的凝固行为及微观结构
该图展示了一个成功的合金设计案例，即通过复合添加形核剂和共晶形成元素，分阶段(晶粒细化 + 共晶愈合)解决热裂问题。
图12:溶质(Cu)和形核剂(LaB6)在LPBF制备纯Al中的晶粒细化作用
图13:工艺参数优化对Al-Ni-Sc-Zr合金性能的影响及工业应用案例
该图(a-d)展示了激光功率和扫描速度对致密度、胞晶间距、拉伸性能和断口形貌的影响;(e,f)展示了WAAM和DED技术制造大型AlSi7Mg部件的工业应用。强调了工艺参数优化对获得无缺陷和高性能制品的决定性作用，并将实验室研究与工业应用前景联系起来。
图14:冷却速率/界面速度对Al-12Ce合金激光熔凝组织及共晶间距的影响
该图直接证明了增材制造的高冷却速率能够显著细化共晶片层间距，这是其获得优异性能的关键原因之一。
图15:建造平台温度对LPBF制备AlSi10Mg合金微观结构的影响
图17:不同体系AM铝合金的室温力学性能对比图
该对比图全景式地展示了增材制造共晶铝合金的力学性能水平，突出显示了Al-Mn-Sc等合金已达到远超传统铸造甚至部分变形铝合金的强度。
图22. 增材制造共晶铝合金热处理强化效果综述。红色代表可时效硬化铝合金，黑色代表不可时效硬化铝合金。
综述文章系统论证了热处理对调控性能的关键作用。
图25:高温强度随温度变化曲线
图35:发展展望概览图
作为全文的摘要和路线图，清晰地归纳了增材制造共晶铝合金的研究框架与未来方向。
结论＆展望
基于对增材制造铝合金科学文献的广泛回顾，一系列新型共晶铝合金已成为增材制造界的研究焦点。当前的挑战、应对策略及相应机制如图35所示。该工作阐明了共晶铝合金的最新进展，并为通过增材制造技术开发高性能铝合金的未来发展提供了见解:
【1】计算辅助以提高可打印性
凝固裂纹主要发生在传统高强度铝合金的增材制造过程中。裂纹在凝固最后阶段沿晶界形成和扩展。这些裂纹的出现是由于inadequate液体流动来桥接凝固金属之间的间隙，导致固态和液态之间的体积不匹配。这种裂纹类型与较宽的凝固范围和凝固末期的熔体补缩能力有关。评估热裂纹敏感性通常涉及脆性温度范围和裂纹敏感性指数。
Schell-Gulliver模型可以准确预测合金的凝固路径，有助于有效计算脆性温度范围。CSI是预测合金凝固末期开裂的有效标准。采用Schell-Gulliver模型模拟铝合金的凝固路径并计算 CSI 可以有效预测合金的可打印性。现有结果表明，共晶形成可以显著缩小凝固范围，抑制晶粒生长，并显著降低热裂纹敏感性。
【2】共晶铝合金的微观结构演变
对通过增材制造技术制造的共晶基铝合金的共晶形貌和微观结构演变的探索揭示了各种不同的模式，包括棒状、胞状、球状、层片状和针状结构。这些结构由各种增材制造方法(如 LPBF、WAAM、DED 和 EBM)复杂地形成。TEM和APT等先进表征技术为这些共晶结构内的变形机制、溶质团簇和界面行为提供了深入的见解。
值得注意的是，构建平台温度在调节凝固温度梯度和随后的微观结构方面起着重要作用，因为较高的预热温度可以减少缺陷并优化力学性能。此外，热处理驱动共晶相变，特别是在亚稳态铝合金中，产生异常共晶结构和细化的金属间化合物。这些发现强调了制造工艺、工艺参数和微观结构发展之间复杂的相互作用，强调了需要精确优化以实现具有卓越性能的定制材料。
【3】在常温和高温下的高性能
增材制造共晶铝合金表现出独特的常温力学性能，这些性能受微观结构、成分和热处理条件的驱动。受工艺参数影响的微观结构决定了共晶相的分布和各向异性的力学行为。热处理通过固溶和时效过程细化微观结构，显著增强力学性能。对热处理的响应因合金成分和温度历史而异。虽然一些合金的屈服强度、抗拉强度和伸长率有显著改善，但其他合金仅显示轻微变化。共晶相、凝固缺陷和沉淀机制之间的相互作用有助于整体的力学响应。这种理解对于通过精确的微观结构控制和热处理策略改善力学性能至关重要。
为了解决有限热稳定性带来的挑战，研究人员专注于开发具有改进高温性能的铝合金。传统的高强度铝合金在超过200℃时会失去其优势，因为强化沉淀物快速粗化和弱化。具有近共晶成分的合金，如Al-TM合金和含稀土元素的铝合金(Al-Ce和Al-La)，由于具有高体积分数的热稳定相而具有潜力。增材制造共晶铝合金在高温(100–400℃)下的力学性能以屈服强度、抗拉强度和伸长率为特征。通常，这些性能随着温度升高呈现负相关。值得注意的是，增材制造共晶铝合金即使在400℃也能保持高于100MPa的抗拉强度和屈服强度，优于传统的商业铝合金。新型共晶基铝合金由于独特的微观结构和沉淀物稳定性，在300–400℃下长期保持时表现出显著的抗蠕变性。此外，增材制造共晶铝合金的常温疲劳主要受微观结构不均匀性和缺陷驱动的裂纹萌生控制。相比之下，高温疲劳涉及循环塑性、蠕变相互作用和缺陷演变，裂纹从热稳定的夹杂物处萌生。这些差异突出了跨服役条件优化疲劳抗力需要针对温度进行特定的合金设计和微观结构控制。迄今为止，腐蚀研究仅涵盖两个体系，即Al-Si和经Sc/Zr改性的富镁合金，并且几乎完全局限于常温测试，新设计的含Mn、Ni、Fe和稀土(La、Ce)的共晶铝体系的行为尚未探索。弥合这一差距需要聚焦于高温研究，以阐明其稳定的金属间化合物网络如何控制氧化和一般降解。
【4】高温应用的双重策略
用于高温应用的铝合金设计围绕两个基本策略:优化热稳定性和微调界面设计。这些方法源于对高温下微观结构演变和相稳定性的深刻理解。高温铝合金设计的关键是确保其热稳定性。Ostwald熟化理论阐明了颗粒随时间增长的机制。较小的颗粒由于热力学能降低而转变为较大的颗粒，这通过Ostwald 熟化方程量化。共晶基铝合金表现出显著的热稳定性。某些元素有限的溶解度和扩散阻碍了金属间化合物相的粗化，这与 Ostwald熟化理论一致。这类合金由于在挑战性环境下的耐久性而超越了传统对应物。同时，增材制造过程中的快速凝固扩展了溶质溶解度，以增强固溶强化的效果。具有低扩散率的溶质元素可以有效地强化铝基体，而在铝中具有高固溶度的元素在超过200℃时会显著削弱其强化效果。界面设计在提高高温下的微观结构稳定性方面起着至关重要的作用。溶质原子在沉淀物/基体界面和晶界处的偏析阻碍了沉淀物和晶粒的迁移和生长，提供了额外的强化效应，归因于增强的耐热性和在高温环境下持续的性能。
【5】面向增材制造铝合金的新范式
在追求提高增材制造铝合金性能的过程中，对创新策略的需求日益增长。共晶基铝合金由于其固有特性，包括降低的裂纹敏感性，呈现出令人兴奋的机会。这使得工艺性得以增强，并为精确的成分调整和微观结构定制提供了灵活性。对共晶铝合金的全面评估，包括多种合金元素，如Li、Cu、Si、Mn、Fe、Ni、Ce 和 La，显示出与传统生产对应物相比力学性能的持续增强。例如，Al-Mn-Sc合金在常温下表现出约600MPa的惊人屈服强度，这一显著成就超越了传统铝合金的能力。值得注意的是，共晶铝合金以其显著的热稳定性和在200–400℃温度范围内卓越的抗蠕变性为特征。相比之下，常用的高强度商业铝合金通常不适合高温应用，因为其强化沉淀物快速粗化。为了增强这些材料在高温环境下的耐久性，深思熟虑地选择在铝基体中具有低扩散率和界面偏析的元素(例如Sc、Zr和Mn)可以有效阻碍强化相和晶粒的生长，从而保护力学性能免于快速恶化。除了经验性见解，各种计算方法在预测共晶铝合金的可打印性、微观结构和性能之间复杂的相互作用方面显示出前景。随着增材制造技术揭示其固有的材料科学优势，这些策略的实用性和有效性证明了在追求卓越性能过程中仔细实施的合理性。
此外，为了战略性地改善共晶铝合金的静态力学性能和蠕变/疲劳性能，可以采用聚焦于增材制造过程控制和微观结构工程的多管齐下的方法。
(1)通过仔细管理光束功率、扫描策略和层间旋转来微调凝固动力学，可以创建细化的微观结构和均匀的共晶相分散，减少可能引发疲劳裂纹萌生的应力集中部位。
(2)管理热处理和层间温度可以促进受控的晶粒生长，确保共晶相在高温下保持稳定并抵抗粗化。引入L12-三铝化物(Al3Ti, Al3Sc, Al3Zr, 和 Al3ScZr)和设计坚固的金属间化合物相进一步增强了这种稳定性，从而抑制晶界迁移并减轻蠕变变形。
(3)将这些过程内措施与有针对性的后处理处理(如热等静压或专门的时效方案)相结合，提供了一种减少残余孔隙率和优化微观结构以获得优异蠕变强度和抗循环载荷能力的方法。最终，这种集成的设计和加工策略强调了通过增材制造技术进行微观结构操纵不仅可以提升静态力学性能，还可以通过加强共晶铝合金抵抗时间依赖的蠕变和疲劳失效来延长服役寿命。
【6】未来展望:迈向共晶铝合金的智能设计与制造
为了通过增材制造技术解锁下一代高性能共晶铝合金，未来的研究必须超越传统的合金开发，并拥抱以数据为中心、一体化的范式。新兴的增材制造技术，如冷喷涂增材制造和混合增材制造，为制造具有最小热降解、降低裂纹敏感性和定制微观结构特征的共晶系统提供了引人注目的机会。它们的固态或多模式沉积机制对于热敏感、成分复杂的共晶铝合金尤其有前景。同时，集成计算材料工程框架和机器学习算法正在彻底改变合金设计、工艺优化和性能预测。ICME能够对凝固路径、相稳定性和微观结构-性能关系进行多尺度模拟，指导选择针对可打印性和性能优化的共晶成分。与此同时，ML促进了快速探索广阔的成分空间、实时缺陷检测以及逆向设计工艺参数以满足目标性能范围。
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先进增材制造技术、数字孪生制造和数据驱动设计的融合预示着共晶铝合金的一个变革阶段:在这个阶段，微观结构可以在多个长度尺度上进行设计，工艺-结构-性能关系可以进行闭环控制，并且性能可以根据特定的服役环境进行调整。未来的突破很可能源于高通量实验、物理信息模拟和智能数据分析的协同整合。通过利用这些策略，可以系统地定制共晶铝合金用于极端应用——结合抗蠕变性、热稳定性和可制造性。因此，这一愿景为真正智能合金系统的出现铺平了道路，加速了它们在航空航天、能源及其他领域的工业应用。
来源：高速摄像机HighspeedCamera
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