麻省理工学院研究人员开发出一种新型铝合金，有望改变轻质高强度部件的3D打印方式。这项发表于《先进材料》的研究利用激光粉末床融合技术中金属快速凝固的特性，通过精确控制元素配比，成功创造出兼具耐热性、抗裂性和高强度的新型材料。

在S. Mohadeseh Taheri-Mousavi博士的带领下，研究团队发现当铝在激光作用下快速冷却时，其原子会形成传统铸造工艺中难以出现的亚稳态结构。通过精心调配铝与微量铒、锆、镍、钇和镱的组合，他们成功利用这些短暂存在的结构，在金属内部生成细小稳定的强化颗粒。

快速凝固实现稳定强度

传统高强度铝合金依靠细小颗粒阻碍位错运动来获得强度，但在高温环境下这些颗粒容易粗化导致性能下降。新型合金通过快速凝固首先形成含镍和稀土元素的亚微米级亚稳态相，随后在400°C热处理中转变为纳米级铝基强化相。这些颗粒即使长时间处于高温环境仍能保持精细分散状态。

研究团队结合计算机材料建模与机器学习技术，筛选数十万种元素组合后，最终确定最佳配比为铝基体添加0.4%铒、1%锆和1.33%镍。该成分不仅有效避免了限制铝合金增材制造应用的热裂问题，还实现了致密无缺陷的打印效果。

经400°C/8小时热处理后，该材料抗拉强度达到395 MPa，是同等成分铸造材料的五倍，比已知最优的可打印铝合金强度提升约50%。其硬度可与最强商用变形铝合金7075媲美，同时克服了7075合金在打印中的脆裂难题。

显微分析显示，打印后的合金内部均匀分布着纳米级铝基颗粒网络。这些颗粒在长时间加热后仍保持稳定，印证了材料抗粗化能力。细晶结构与稳定颗粒的协同作用共同保障了其高强度与热稳定性。

拓展应用前景

研究表明，这种结合计算模拟与实验验证的方法可显著加速增材制造专用合金的开发进程。通过在完整打印前进行建模、机器学习和小规模激光测试，研究团队成功在广阔设计空间中高效定位最优配方。

该方法同样适用于航空航天和能源系统使用的镍基高温合金等其他金属体系。利用快速凝固控制亚稳态结构的设计原理，还可开发出强度、延展性与耐热性更均衡的可打印材料，满足更广泛的工业需求。

全球高强度可打印铝合金研发现状

除麻省理工外，橡树岭国家实验室近期测试了专为3D打印与高温汽车部件研发的DuAlumin 3D合金。与传统铝合金在激光粉末床融合中易产生裂纹不同，该材料展现出优异的可打印性与热学性能，其抗裂性与高温稳定性使其成为轻量化高效能发动机部件的理想候选，在航空航天和热交换器领域同样具有应用潜力。

八年前，HRL实验室通过纳米颗粒功能化技术，成功实现迄今被认为不可焊接的Al7075和Al6061等高强铝合金的3D打印。发表于《自然》杂志的该技术采用锆基纳米涂层作为凝固过程中的形核点，彻底消除了热裂纹并保持合金全强度。这项低成本、可扩展的工艺还可延伸至高强度钢和镍基高温合金等难打印材料，拓宽了增材制造在航空航天与工业领域的应用边界。