近日，伦敦大学学院（UCL）与伦敦布鲁内尔大学的研究团队合作，成功开发出一款名为PA1的专为定向能量沉积（DED）增材制造工艺设计的定制铝合金。

这项研究于近期发表在《国际极限制造杂志》上。研究团队指出，目前3D打印中使用的多数铝合金都是为传统铸造工艺设计的，其金属在模具内缓慢冷却。当这些标准材料经受DED工艺的极端热循环时，经常会产生微观裂纹或结构缺陷，限制了部件性能。

为此，研究人员，包括UCL的Peter D. Lee教授、Chu Lun Alex Leung教授和Guo Da博士，从材料设计源头入手，配制了一种由铝、镍、铈、锰和铁组成的“过共晶”合金。

该材料经过设计，凝固后的晶粒尺寸小于5微米，并且每个晶粒包含一个低于200纳米的超细共晶晶格结构。其凝固温度区间仅为2.8°C，几乎实现瞬间凝固，有效限制了导致开裂的收缩现象。

在实验中，团队采用了创新的实时成像技术，结合同步辐射设施，利用高速X射线成像、红外热成像和X射线衍射三种方法进行原位观测。这使得他们能够实时捕捉熔池动态、温度场分布以及相变过程，从而深入理解材料在打印中的行为。

在与广泛使用的AlSi10Mg合金相同的打印条件下对比测试显示，PA1合金制成的部件屈服强度达到191兆帕，极限抗拉强度达到421兆帕，相比AlSi10Mg分别提升了约70%和50%。残余应力测量值低于32兆帕，与材料整体强度相比可忽略不计。

当然，这项研究也存在一些局限。例如，测试是在小尺寸块状样品上完成的，机械性能是通过压痕法估算的。此外，与AlSi10Mg相比，PA1的延展性略有下降。将此类合金及其工艺扩展到更大、更复杂的零件上，仍是未来需要面对的挑战。

尽管如此，这项研究将专用合金设计与先进原位表征相结合，为开发下一代高性能可打印金属材料提供了新的范例。该成果表明，未来的机会在于“为工艺设计合金”，而不仅仅是调整工艺参数去适应现有材料。这对于航空航天、汽车等对轻质高强度部件有迫切需求的领域，具有直接参考价值。