Nature子刊丨选区激光熔化增材制造高性能可持续铝合金_ACT_Additive_航空_航天_汽车_增材_UM

Nature子刊丨选区激光熔化增材制造高性能可持续铝合金

在航空航天与汽车轻量化需求日益增长的背景下，铝合金增材制造技术面临严峻挑战。传统高强铝合金对原料纯度要求极高，难以有效利用含铁等杂质的废料，不仅推高了制造成本，也制约了行业的绿色可持续发展，同时增材制造过程中易出现的热裂纹问题，更成为限制其性能提升的关键瓶颈。为破解这一困境，名古屋大学的科研团队将目光聚焦于高性能可持续铝合金的开发，旨在实现高强度、高延展性与废料回收友好性的协同，为行业提供兼顾性能与环保的新材料解决方案。

研究团队基于“元素分配控制”的核心策略，围绕高性能铝合金增材制造技术取得重要进展。团队充分利用粉末床选区激光熔化（PBF-LB）工艺的快速凝固特性，实现了合金元素在液相与固相中的精准调控。具体而言以Fe作为基础元素，通过添加Cu、Mn稳定并强化Al6Fe相，将原本有害的铁元素转化为有益的强化相；同时引入Ti元素，使其分配至固相，实现晶粒细化，将晶粒尺寸控制在约2.3um，从而提升材料的综合性能。在工艺方法实施上，团队采用气体雾化法制备合金粉末，并通过系统优化激光功率（102-204W）与扫描速度（0.6-1.4m/s）等关键参数进行PBF-LB成型，确保成型部件的致密度超过99%。通过多尺度表征与力学性能测试，全面验证材料的微观结构与宏观性能表现。研究结果显示，新型Al-Fe-Mn-Ti系列铝合金在室温下抗拉强度可达约390MPa，延展性达14%-17%，实现了强度与韧性的良好平衡；在高温环境下同样表现出色，300℃时强度仍能保持在250MPa以上，且经过100小时热暴露后性能几乎不变，展现出优异的高温稳定性。更重要的是，该设计策略成功将废料中的铁元素转化为有效强化相，为直接利用含铁废料制造高性能部件提供了可行路径，为可持续材料利用与先进制造技术的发展提供了新思路。

该研究成果不仅打破了铝合金“高性能”与“可持续性”之间的矛盾，也为铝基材料的设计与废料回收利用开辟了全新方向，有望推动“以铝代钛”进程，助力航空航天、汽车制造等领域实现更高效、更绿色的轻量化升级，为行业的可持续发展注入了新动力。

本研究以题为“Design of high-performance sustainable aluminum alloy series for laser additive manufacturing”的论文发表在《Nature Communications》上。

图1.适用于PBF-LB工艺的Al-Fe多元系材料的设计概念。

图2.通过PBF-LB工艺形成的ɑ-Al/Al6Fe两相微观结构中，各种合金元素的分布情况

图3.通过PBF-LB技术制备的Al-Fe-Cu-Mn四元合金的多尺度微观结构及其室温力学性能。

图4.通过PBF-LB工艺制备的Al-Fe-Mn-Ti四元合金的高温力学性能

来源：增材制造硕博联盟

重磅！中科院力学所太空金属增材制造技术在轻舟试验飞船完成演示验证

近日，中国科学院力学研究所联合中国科学院微小卫星创新研究院，在轻舟试验飞船上完成太空金属增材制造技术演示验证。太空金属增材制造载荷搭载轻舟试验飞船，由中科宇航力箭二号遥一火箭发射，飞船在600公里轨道成功开展太空金属增材制造技术演示验证，顺利完成预定实验任务。此次任务重点验证了金属增材制造载荷与货运飞船平台匹配性、安全可靠性、地面遥测控制、状态监测、数据与图像传输、全流程自动化执行、空间环境下金属熔融沉积工艺等关键能力，标志着太空金属制造领域取得又一项重要技术进步。与地面制造相比，太空金属增材制造不仅要面对微重力条件下熔滴过渡、液桥稳定、熔池演化等复杂机理问题，还必须解决载荷轻量化、精密器件抗发射振动、能源接口适配、遥测遥控和受限操作窗口下自主运行、以及在轨操作安全性等一系列工程难题，是国际太空制造领域的前沿方向。力学研究所团队依托微重力科学与空间实验研究基础，围绕微重力条件下金属增材制造机理、工艺方法和装备研制持续攻关，并与中国科学院微小卫星创新研究院协同建立了基于货运飞船平台的太空金属增材制造验证技术体系。本次任务突出在货运飞船平台条件下的系统集成与工程验证，通过地面遥测方式启动太空金属增材制造载荷，采用激光熔丝方式实现金属熔融沉积，稳定完成了金属熔融沉积成形的过程演示，验证了载荷设备多次遥控启动的稳定性，顺利达成预定实验目标。此次实验表明，我国已初步具备太空金属增材制造关键技术的系统验证能力，为后续货运飞船常态化搭载验证奠定了基础。未来，相关技术有望服务于在轨制造与维修应用、空间设施备件制造、结构件修复、深空任务自主保障以及深空探测原位制造能力建设等重大场景，推动航天任务由“带什么用什么”向“需要什么造什么”转变。下一步，联合团队将与院内外优势单位开展广泛合作，完成更长时、更复杂工况下的太空制造技术验证任务，加快构建我国太空制造技术标准体系和工程应用能力，推动太空制造从技术演示走向“天造天用”工程应用，为航天强国建设和太空经济发展提供新的技术支撑。力箭二号发射轻舟货运试验飞船遥测图像（转载自央视网）载荷照片来源：中科院力学所来源：增材制造硕博联盟