Nature子刊：全新高强高塑性3D打印铝合金

随着增材制造技术的快速发展，3D打印正在成为航空航天、汽车、国防等高端制造领域的游戏规则改变者。

在诸多金属3D打印材料中，铝合金以其优异的比强度和广泛的工业应用前景而备受关注。

然而，对于主流的高强铝合金，其高热裂倾向限制了在选区激光熔化（SLM）等熔融沉积过程中的应用，而快速凝固条件下3D打印铝合金的力学性能往往也难以达到锻件的水平。

这使得当前3D打印铝合金的应用大多局限于AlSi10Mg等近共晶铝硅合金，强度水平难以满足高端工程应用的苛刻要求。

因此，如何在保证成形性的同时，进一步提高3D打印铝合金的强度、韧性，成为制约其规模化应用的关键。

最近，美国普渡大学与伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的研究团队，在《自然•通讯》上发表了一项重大突破性研究成果：

他们利用SLM工艺成功3D打印出一种定制的新型铝合金Al92Ti2Fe2Co2Ni2，获得了由纳米尺度中熵金属间化合物（IM）构成的复杂异质组织，实现了超高强度与优异塑性延展性的完美结合！

相关研究无疑为高强高韧3D打印铝合金的开发提供了全新思路。

核心研究成果总结

研究人员利用气雾化方法制备了Al92Ti2Fe2Co2Ni2铝合金粉末，在SLM成形过程中，合金在熔池内形成了不均匀的纳米复合组织：

靠近熔池边界附近以细小片层状IM为主，而熔池中心则由粗大片层IM、网状IM和Al基体组成。

IM是什么？纳米尺度中熵金属间化合物（IM）可以通俗地理解为：在纳米尺度下，由多种金属元素以近等原子比形成的金属间化合物。与传统金属间化合物相比，引入更多组元使其具有更高的稳定性，纳米化的尺寸则赋予其优异的力学性能。

透射电镜表征揭示，片层IM由Al3Ti内核及周围20-300nm厚的Al3Ti/Al9(Fe,Co,Ni)2纳米叠层构成，Al9(Fe,Co,Ni)2相为一种新型单斜结构中熵金属间化合物。

得益于独特的多尺度IM复合组织，3D打印Al92Ti2Fe2Co2Ni2合金展现出优异的力学性能。

压缩实验表明，合金的屈服强度超过700MPa，塑性变形量接近20%。

微压杆实验进一步揭示，合金的所有区域都存在显著的背应力强化效应，局部区域的流动应力甚至超过900MPa。

变形后的分析证实，在高应力作用下，常规条件下脆性的Al9(Fe,Co,Ni)2相可被激活产生位错滑移和层错，在保证高强度的同时赋予材料优异的塑韧性。

材料制备

该合金的粉末采用气雾化技术制备，粉末的粒径范围为15-53微米。

气雾化技术是一种常用的粉末制造方法，通过高压气体将熔融金属流分散成细小颗粒，形成球形粉末。

这种方法能够生产出粒度均匀、流动性好的金属粉末，适合用于增材制造。

材料微观表征

3D打印Al92Ti2Fe2Co2Ni2合金的不均匀纳米复合组织：（a-b）宏观形貌；（c-f）微观组织。

3D打印Al92Ti2Fe2Co2Ni2合金中（a）细小和（b）粗大IM的扫描透射电镜照片及其化学成分分布。

展示了Al92Ti2Fe2Co2Ni2合金的TEM表征结果。TEM图像显示了三种主要相的共存：Al基体（红箭头）、Al9(Fe,Co,Ni)2（橙箭头）和Al3Ti（绿箭头）。逆极图（IPF）显示了Al和Al3Ti的晶体取向。

展示了APT分析结果，显示了不同元素在细层片和粗层片区域的分布情况。Ti、Fe、Co和Ni在这些区域的浓度变化表明了这些元素在快速凝固过程中发生的分配行为。

APT全称Atom Probe Tomography，即原子探针层析术，是一种先进的三维原子尺度材料表征技术。可以实现对材料内部的三维成分、组织结构进行原子级别的高分辨表征与成像。

打印工艺

增材制造采用SLM设备进行打印，打印过程中使用了一台400W的IPG光纤激光器，波长为1070纳米，以下是用于SLM打印的关键参数：

• 激光功率：200W到300W

• 扫描速度：1200毫米每秒

• 扫描间距：100微米

• 层厚：30微米

• 激光光斑直径：70微米

• 基板预热温度：200摄氏度

• 环境气氛：氩气，氧含量低于1000 PPM
  
  

优化的工艺路线有效抑制了热裂倾向，获得了致密度接近100%的实体样品。

力学性能测试

为系统评价3D打印Al92Ti2Fe2Co2Ni2合金的力学性能，研究人员开展了宏观压缩、纳米压痕、原位微压杆等测试。

压缩实验在电子万能试验机上进行，应变速率为10-3s-1。

纳米压痕对样品局部硬度、模量分布进行表征。

微压杆实验在扫描电镜内进行，通过聚焦离子束（FIB）加工出直径5μm、长径比2:1的圆柱试样。

聚焦离子束（Focused Ion Beam，FIB）是一种先进的微纳加工和表征技术，在材料科学、微电子、生物医学等领域有广泛应用。其基本工作原理是将液态金属离子源（通常是镓）中的离子在强电场作用下汇聚成nm级的高能离子束，并对样品表面进行扫描，实现对样品的微区加工。

上图展示了纳米压痕硬度和杨氏模量的分布图，揭示了细层片区域的高硬度和高杨氏模量。

压缩实验结果

上图展示了不同激光功率下制造的Al92Ti2Fe2Co2Ni2合金样品的压缩实验结果。

200W激光功率下的样品表现出超过800MPa的工程应力和20%的塑性变形，而较高激光功率下的样品则表现出较低的流动应力。

微柱压缩实验

上图展示了细层片和粗层片区域的微柱压缩实验结果。

细层片区域的流动应力可达900 MPa，而粗层片区域的流动应力约为500 MPa。

显微照片显示了在压缩过程中柱子的形貌演变。

影片中可以观察到微柱表面出现了轻微的褶皱和波纹，显示了材料在高应力下的均匀变形行为。

影片中可以看到，在压缩过程中，粗层片区域的微柱表面出现了明显的凸起，这些凸起是由于软铝基体和硬金属间化合物在变形过程中的不同变形行为所致。粗层片的变形主要集中在铝基体中，显示出较低的塑性变形能力。

变形后的显微结构分析

通过对变形后的微柱进行透射电子显微镜（TEM）分析，研究团队发现了在粗层片区域内的金属间化合物中存在微裂纹，而这些裂纹通常限制在单一金属间化合物相中，未扩展到相邻相。细层片区域则显示了剪切带和大量位错活动，表明这些区域具有更高的变形能力。

粗层片区域的变形机制：展示了变形后粗层片区域的显微结构，其中包含微裂纹和高密度位错的存在。

细层片区域的变形机制：展示了变形后细层片区域的显微结构，其中包含了剪切带、晶体旋转和大量堆垛层错。

商业机会与启示

此项研究成果无疑为高强高韧3D打印铝合金的开发提供了全新思路，将有望推动铝合金增材制造技术的创新发展，加速其在航空航天、汽车、机器人等领域的工程化应用。AM易道认为，以下几个方面值得业界高度关注：

合金成分设计新思路

引入过渡族元素形成热力学与动力学双稳定的纳米复合组织，突破传统铝合金「强韧矛盾」的瓶颈；

3D打印工艺优化方向

通过构建面内、层间交错的异质纳米结构，调控热-力耦合行为，抑制热裂倾向，提高构件成形性能；

应用拓展新空间

实现高强高韧铝合金的精密3D打印，将有力促进轻量化、集成化设计，推动航空航天、汽车、机器人等行业的智能制造升级，带来广阔的市场前景。

AM易道总结

总的来说，普渡大学与UIUC的研究人员获得了由纳米叠层IM构成的独特多尺度复合组织：

在超高强度（>700MPa）与优异塑韧性（~20%）间实现了极佳平衡，为高性能铝合金3D打印开辟了新思路。

这一突破性进展无疑将为相关领域的研究人员提供新的设计思路。

这类具有高强度和塑性的铝合金在航空航天和汽车工业中具有巨大的应用潜力。

展望未来，要真正实现高性能3D打印铝合金的规模化应用，还应注重从材料-工艺-部件的全流程、多尺度角度出发，加强试验与模拟相结合的研究手段，建立3D打印构件的组织-性能-失效的构效关系。

论文DOI

https://doi.org/10.1038/s41467-024-48693-4

     
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