强度提升5倍！麻省理工3D打印铝合金或使飞机零部件更轻

十大品牌 2025年10月21日 04:54 0 aa

近日，麻省理工学院的研究人员开发了一种新的3D打印铝合金，可以承受400℃高温，强度是传统制造铝的五倍。新的可3D打印金属由铝和其他元素的混合物制成，该团队通过模拟和机器学习相结合确定了这些元素，显著减少了要搜索的可能材料组合的工作。传统方法需要模拟超过100万种可能的材料组合，但该团队基于机器学习的新方法只需评估40种可能的成分即可确定高强度、可打印铝合金的理想组合。

一种新的3D打印铝合金比传统铝更坚固，因为打印时会产生带有纳米级沉淀物（浅蓝色）的铝（棕色），沉淀物排列成规则的纳米级图案（圆形插图中的蓝色和绿色），赋予打印合金的高强度

研究人员设想，新的可打印铝或许可以制成更坚固、更轻且更耐高温的产品，例如喷气发动机中的风扇叶片。风扇叶片在传统上是由钛铸造或由先进的复合材料而制成，而钛是一种比铝重50%以上、成本高10倍的材料。

在麻省理工学院担任博士后工作工作，现为卡内基梅隆大学助理教授的Mohadeseh Taheri-Mousavi表示，“如果我们能使用更轻、更高强度的材料，这将为运输行业节省大量能源。” 另外，麻省理工学院机械工程系1922届教授兼系主任John Hart补充道：“由于3D打印可以生产复杂的几何形状、节省材料并实现独特的设计，因此我们认为这种可打印合金也可用于先进的真空泵、高端汽车和数据中心的冷却设备。”

Hart和Taheri-Mousavi作为通讯作者将这项研究内容以“Additively Manufacturable High-Strength Aluminum Alloys with Coarsening-Resistant Microstructures Achieved via Rapid Solidification”为题发表在期刊《Advanced Materials》上。该论文的合作者包括麻省理工学院Michael Xu、Clay Houser、Shaolou Wei、James LeBeau和Greg Olson，以及德国帕德博恩大学的Florian Hengsbach和Mirko Schaper，以及卡内基梅隆大学的Ghaoxuan Ge和Benjamin Glaser。

文章链接：

https://doi.org/10.1002/adma.202509507

这项新工作源于Taheri-Mousavi在2020年参加的麻省理工学院课程，作为课程的一部分，他学习了使用计算模拟来设计高性能合金。合金是由不同元素混合制成的材料，这些元素的组合赋予整个材料卓越的强度和其他独特性能。

与大多数材料一样，铝的强度在很大程度上取决于其微观结构，其微观成分或“沉淀物”越小越致密，合金的强度就越高。考虑到这一点，他将铝与各种类型和浓度的元素结合起来，以模拟和预测所得合金的强度。但在Taheri-Mousavi未能得到更高的强度，于是她考虑是否可以借助机器学习的辅助。

在后续的实验研究中，Taheri-Mousavi继续根据课程想确定一种更合适的铝合金配方。这一次，她使用了机器学习技术，旨在有效地梳理元素属性等数据，以识别应该导致更理想结果或产品的关键联系和相关性。她发现机器学习方法很快就找到了一种铝合金的配方，且仅使用40种将铝与不同元素混合的组合，该合金具有比之前研究确定的更高的小沉淀物体积分数，因此强度更高。这种合金的强度甚至比他们在不使用机器学习的情况下模拟了超过100万种可能性后所能识别的强度还要高。

合金设计概念展示了如何利用亚微米级亚稳态相由于快速凝固和正确的成分，将硬化相的长度尺度从微米级转变为纳米级

结构参数测量流程图及设计方法。为了使L12相的粗化度最小化，对该组合物进行了反向设计。所有其他微观结构特征都是正向预测的，并作为反设计组合的约束

为了制备出这种新的坚固且析出细小沉淀物的合金，该团队意识到3D打印可以替代传统的金属铸造，因为在传统的金属铸造中，需要将熔融液态铝倒入模具中并冷却和硬化。冷却时间越长，单个沉淀物生长的可能性就越大。

他们考虑了激光床粉末熔融（LBPF）技术，可以在沉积另一层之前迅速凝固。该团队发现，LBPF固有的快速冷却和凝固使得他们的机器学习方法预测出小析出、高强度的铝合金成为可能。

研究人员根据他们的新铝合金配方订购了一种可打印粉末的配方，使用LPBF系统打印了该合金的小样本，然后进行了多项测试，以测量合金的强度并对样品的微观结构进行成像。结果证实了他们最初的机器学习搜索所做的预测：打印的合金强度是铸造合金的五倍，比使用传统模拟设计的合金强50%。新合金的微观结构还包括较高体积分数的小沉淀物，并且在高达400℃的高温下保持稳定。

晶界沉淀物的STEM EDS结果

研究成果速览

① 核心突破：抗粗化纳米显微结构实现高强度

针对Al-Er-Zr-Y-Yb-Ni合金体系，通过粉末床增材制造的快速凝固效应，使L1₂-Al₃M强化相先以亚微米级（≈100nm）亚稳三元相析出，经热处理后转变为纳米级抗粗化L1₂相，有效阻碍位错运动。400℃时效8小时后，室温抗拉强度达395MPa，相较于已知最优可打印铝合金提升了50%，是同等铸造合金强度的5倍，性能可与锻造7075铝合金相似。

（a）沿<110>型带HAADF STEM成像晶粒，（b）与母晶相干的晶界析出物的高倍图像，（c）该沉淀物的高分辨图像，（d）相应的去噪EDS Al/Ni/Zr/Er元素图，（e）有序纳米团簇的原子分辨率HAADF成像，（f）显示有序原子柱强度区域，（g）（f）的归一化原子柱强度图，表明L12原子顺序，（h）所得Getis-Ord Gi*统计顺序，（i）L12分段图，（j）从（i）跨多个数据集计算和总结圆近似半径，（k）{001}型超晶格反射，（l)原子分辨率HAADF STEM图像和（m）相应的EDS Al/Ni/Zr/Er元素图

② 创新设计方法：计算-实验融合工作

采用基于CALPHAD 的集成计算材料工程（ICME）与贝叶斯优化算法，高效探索五元合金成分空间，解决多目标优化难题。机器学习替代模型显著降低计算成本，仅需40组训练数据即可实现3%的预测误差，相比随机采样效率提升显著。