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摘要：本研究提出了一种利用激光束的金属3D打印技术来控制非平衡微观纳米组织的元素选择的新思路，所设计制造出的铝-铁（Al-Fe）基合金制品具有高强度、高耐热性等多种功能，并可以通过第三、第四种元素进行控制，有望极大地加速可用于金属3D打印的新材料的开发。

关键词：金属3D打印、Al合金、元素调控、耐热性、非平衡微观纳米组织

要点

提出了一种利用激光束的金属3D打印技术来控制非平衡微观纳米组织的元素选择的新思路。
研究发现，基于所提出的思路开发的铝-铁（Al-Fe）基合金制品具有高强度、高耐热性等多种功能，并可以通过第三、第四种元素进行控制。
这一思路不仅适用于Al合金，还可以适用于其他金属，有望极大地加速可用于金属3D打印的新材料的开发。

研究概述

研究小组提出了一种用于控制激光粉末床熔合法（一种金属3D打印技术）所产生的非平衡微观和纳米组织的元素选择的新思路。基于这一思路，研究小组开发出了一种以铝（Al）和铁（Fe）为基本成分的新型合金。所开发出的合金不仅可以通过3D打印成形，还具有高强度、高耐热性等多种性能。

本研究开发的Al-Fe合金体系不仅有望在汽车发动机用压缩机的旋转部件等各种轻质耐热部件中实现实际应用，而且由于所提出的思路不仅适用于Al，还可以适用于其他金属，因此有望极大地加速可用于金属3D打印的新材料的开发。

研究背景与内容

作为3D打印技术的一种，使用金属粉末的激光粉末床熔合（Laser Powder Bed Fusion：L-PBF）法可以制造传统方法无法实现的三维复杂形状部件。通过这种3D打印制造的金属构件通过激光照射（图1）引起的超快速冷却凝固（液态金属以每秒超过10万度的速度快速冷却凝固为固体的现象）而形成。研究小组着眼于金属构件的微观和纳米组织不仅具有非常精细的结构，而且还处于一种前所未有的非平衡状态。以往的研究表明，这种由金属3D打印产生的非平衡状态不仅显著提高了Al（一种典型的轻质金属材料）的性能，还产生了与传统认知不同的物理特性。

图1. 金属3D打印技术之一的激光粉末床熔合（Laser Powder Bed Fusion：L-PBF）法及使用该方法3D打印的金属构件

到目前为止，研究小组一直在推进关于含有最常见金属元素Fe的Al金属3D打印的基础研究。一般来说，向Al中添加Fe会使材料变脆，并加速其在大气中的劣化，因此通常会避免。然而，含Fe的Al的3D打印构件处于一种非平衡状态，其Fe浓度远高于平衡状态，并具有精细的亚稳相。利用这一特性，研究小组揭示了其在常温下具有相对较高的强度。受这一不同于Al常识发现的启发，研究小组利用Al与Fe等过渡金属元素的组合，构建适用于3D打印的新材料设计原理。

本研究中，研究小组基于超快速冷却凝固（L-PBF工艺的基本过程）时元素在固体与液体之间迁移的趋势，选择了以往开发的Al-Fe合金中添加的元素（任意过渡金属M）。这一趋势可以根据液体向固体转变（凝固）的反应路径大致分类为包晶反应和共晶反应，并可通过Al-X二元体系平衡状态图简单地进行研究。

包晶（Peritectic）反应型元素：在固体/液体之间向α-Al母相（固相）迁移→形成含有大量合金元素的过饱和固溶体，强化α-Al母相。

共晶（Eutectic）反应型元素：在固体/液体之间分布到液相中→对于具有Al₆M化合物相结构的元素，提高Al₆Fe亚稳相的相稳定性和体积分数，从而增强材料性能。

图2. 元素的预测作用：根据元素周期表总结了Al-X二元体系中的凝固反应（共晶或包晶）以及α-Al母相中可包含的最大元素浓度（固溶度极限）。

基于图2所示的思路，研究小组选择添加以下元素：可强化α-Al母相的钛（Ti）（包晶反应且浓度较高，可包含在α-Al母相中）以及可通过Al₆Fe亚稳相促进强化的锰（Mn）、铜（Cu）（共晶反应且与Al形成与Al₆Fe相具有相同晶体结构的化合物）。

本研究中，研究小组利用模拟金属3D打印机中超快速冷却凝固的热力学计算，设计了一种结合了这些元素的Al-Fe基多元合金的成分。实际上，研究小组使用Al-Fe-Cu、Al-Fe-Mn和Al-Fe-Ti三元合金粉末进行金属3D打印，并观察了其微观和纳米组织，验证了本研究所提出思路的有效性。此外，众所周知，高强度Al通常难以通过金属3D打印制造，而本实验表明，所设计的合金能够在相对较宽的制造条件下进行3D打印，显示出优异的可制造性。

为了实现更高的强度和耐热性，研究小组设计了Al-Fe-Cu-Mn（共晶反应型元素的协同效应）和Al-Fe-Mn-Ti（共晶反应型和包晶反应型元素的综合效应）四元合金，旨在实现多种元素的综合效应。特别是在采用L-PBF制造的Al-Fe-Mn-Ti合金构件中，研究小组证实了Mn元素（共晶反应型）存在于亚稳相内部，而Ti元素（包晶反应型）存在于α-Al母相内部（图3(a)）。这验证了基于本研究思路（图2）所设想的不同作用元素的综合效应。Al-Fe-Mn-Ti合金的3D打印构件不仅在300℃高温下显示出比传统Al更高的强度（图2），还比全球已开发的Al 3D打印构件具有更优异的室温延展性（图3(b)）。这种优异的高温强度和室温延展性表明其作为高温使用的结构材料具有很高的可靠性。

图3. (a)采用L-PBF法制造的Al-Fe-Mn-Ti合金的微观-纳米组织的电子显微镜图像及相应的元素分布图；(b)将采用L-PBF法制造的Al-Fe-Mn-Ti合金在300℃下的高温强度和室温下的拉伸延展性与全球开发的L-PBF用Al合金进行比较：横轴数值越大，延展性越好。

研究意义

本研究结果表明，金属3D打印技术不仅可以制造复杂形状的金属部件，还为控制材料的高功能性和多功能性提供了指导原则。所开发的高强度Al-Fe-Cu-Mn合金和高耐热性Al-Fe-Mn-Ti合金有望应用于运输设备中的各种轻质耐热部件。

此外，利用金属3D打印技术产生的非平衡微观和纳米组织开发材料，不仅适用于Al，还可适用于多种其他金属。因此，本研究所提出的理念不仅适用于Al，还可适用于其他金属，有望大大加速可用于金属3D打印的新材料的开发。

https://www.nagoya-u.ac.jp/researchinfo/result/upload_images/20251216_engg.pdf

https://www.nature.com/articles/s41467-025-67281-8

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