上交大团队研发增材制造新型铝合金以独特结构抵御高温软化

| 3DScienceValley · 2026/01/06

谷专栏

近日，上海交通大学的研究团队在《自然·通讯》期刊中发表了一项增材制造新型铝基合金的研究成果。该团队利用激光粉末床熔融（LPBF）技术，成功制备出一种名为AlLaScZr的新型铝基合金。这种合金凭借其独特的热稳定纳米共晶胞状网络结构，在300℃~400℃的高温环境下展现出卓越的强度，性能远超传统铝合金，甚至可与部分钛合金、不锈钢相媲美，为铝合金在中等温度区间的轻量化结构应用开辟了全新前景。本期谷·专栏将进行简要分享。

论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-025-66441-0

传统瓶颈：铝合金的高温“软肋”

金属材料在高温下普遍存在强度急剧下降的难题，铝合金尤为明显。传统提升高温强度的策略主要依赖于在基体中均匀分布热稳定的硬质颗粒（如纳米金属间化合物或陶瓷颗粒），通过负载传递和奥罗万强化等机制来阻止位错运动。

然而，在高温（通常高于0.5倍熔点，即0.5Tm）下，位错的热激活运动（如交滑移、攀移）变得活跃，使其更容易绕过这些障碍物，导致强化效果大打折扣。因此，在300℃时，大多数传统铝合金的屈服强度仅为几十兆帕，无法满足在中等高温环境下（如航空航天、汽车发动机周边部件）对轻量化材料的强度要求。

创新思路：从“分散颗粒”到“三维囚笼”

面对这一长期挑战，研究团队另辟蹊径，将目光投向了增材制造（3D打印）技术。LPBF技术特有的快速凝固特性，能够形成传统方法难以获得的亚稳态和超细微观结构。

团队设计了一种近共晶成分的Al-9.8La-0.46Sc-0.26Zr（wt%）合金，并通过LPBF技术成功制备。该合金的核心创新在于其独特的微观结构：一种由热稳定的Al₁₁La₃相构成的纳米级三维共晶胞状网络，将软质的α-Al相分割包围在约200纳米大小的超细胞室内。

同时，胞室内部还充满了大量弥散分布的、共格且抗粗化的L1₂-Al₃(Sc, Zr)纳米析出相，提供了额外的强化。这种“网络囚笼”加“胞内钉扎”的协同作用，构成了合金超常性能的微观基础。

性能卓越：高温强度实现数量级提升

这种被称为AlLaScZr-ECN的合金在室温下屈服强度为418MPa，延伸率约7%，已属高性能铝合金之列。但其真正卓越之处在于高温性能：

在300℃时，屈服强度高达246MPa，是传统铝合金的5倍，是传统耐热铝合金的2倍。
在400℃时，屈服强度仍能保持在约110MPa，远超传统铝合金。
其比强度（强度/密度）在300℃时达到86MPa/(kg·m⁻³)，约为商业耐热2618铝合金的两倍，优于部分商业纯钛（CP-Ti）合金和不锈钢。

更关键的是，该合金表现出优异的热稳定性。在300℃下长时间退火168小时后，其纳米共晶胞状网络结构依然保持稳定，屈服强度衰减极小。

机理揭秘：“囚笼”效应与协同强化

为了深入探究强化机理，团队进行了原位同步辐射X射线衍射等先进表征。研究发现：

卓越的负载传递能力：在共晶胞状网络（ECN）结构中，坚硬的Al₁₁La₃相在室温和高温下均能承担比分散颗粒形态高得多的应力，实现了更有效的负载传递。
独特的位错“囚笼”机制：超细的胞室结构（~200 nm）将位错运动限制在单个胞室内。在高温下，位错无法像在连续基体中那样长距离滑移或容易地攀移绕过障碍，而是以受限层滑移（CLS）机制变形，像被关在“囚笼”里，需要更高的应力才能开动。这显著提高了α-Al相本身在高温下的流变应力。

界面稳定性是关键：Al₁₁La₃与α-Al之间的界面具有高共格性和低界面能。更为巧妙的是，Sc元素会在Al₁₁La₃胞壁处偏聚，形成Al₃Sc，进一步降低界面错配度，从而极大地增强了整个ECN结构在高温下的稳定性。
胞内析出相的协同作用：胞室内高密度的L1₂-Al₃(Sc, Zr)纳米析出相在室温下是有效的位错障碍物，在高温下也与ECN协同作用，共同阻碍位错运动。

应用前景：开启铝合金的“中温时代”

这项研究不仅开发出一种具体的高性能材料，更提出了一种普适性的合金设计策略：即利用增材制造技术，结合低扩散速率的合金化元素（如La），构建热稳定的三维纳米网络结构，以实现金属材料，特别是轻质合金的优异高温性能。

这种新型铝基合金有望作为一种“铝基超级合金”，将铝合金的应用温度区间从传统的200℃以下，显著提升至300-400℃。这一温度范围目前主要由密度更高的钢铁、钛合金和镍基合金所主导。该技术的突破，意味着未来在航空航天、高性能汽车、轻量化热端部件等领域，有望采用更轻的铝合金替代部分较重材料，从而实现显著的减重和能效提升。

转载来源：增材实验室

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