西安交大《Materials Today 》击穿 500℃天花板！造出颠覆性 3D 打印耐热高强铝合金

　　研究背景

　　航空航天、先进能源和高端装备制造等关键领域对结构材料轻量化与高温服役能力这两项通常难以兼得的双重性能指标的需求日益迫切，轻质、高强、耐热铝合金是实现结构减重的核心候选材料之一。商用高强铝合金的强化依赖于Cu、Mg、Zn、Si等快扩散元素形成的纳米析出相，通过阻碍位错运动实现室温高强度。然而这类析出相的热力学稳定性差，当服役温度超过200℃后便会发生组织结构的快速粗化甚至回溶，导致材料强度断崖式下降。近年来耐热铝合金成为了行业内的研究热点，逐步开发出服役温度可以超过200℃的新型铝合金材料，其中西安交通大学耐热铝合金团队提出了快扩散溶质原子与慢扩散原子耦合的设计策略，研制出300-400℃温度级耐热高强铝合金系列材料，并实现了工程化应用突破。面向更高温度需求，500℃（~0.83 Tm，Tm为绝对熔点温度）被公认为铝合金难以逾越的天花板服役温度——这意味着发动机周边等高温部位至今只能采用密度更大的钛合金或高温合金，减重潜力难以进一步发挥。500℃级耐热铝合金将是铝合金领域颠覆性的材料与技术突破。

　　主要发现

　　近日，西安交通大学金属材料强度全国重点实验室耐热铝合金团队联合上海交通大学、法国格勒诺布尔大学合作攻关，采用增材制造制备方法在500°C级耐热高强铝合金研究中取得重要进展。研究团队提出“热稳定双相互锁稳定化”的设计新策略，即让两种耐热纳米颗粒在三维空间范围内成对生长、彼此“锁定”，实现了1+1>2的高温组织稳定化效果。研究团队利用增材制造中非平衡凝固的溶质截留效应，通过添加微量Sc、Zr元素，在原胞状结构周围形成致密Al-V-Sc-Zr纳米非晶结构（图1）；再经400℃短时热处理后，胞状结构与其周围的非晶结构间发生由V原子扩散主导的耦合原位相变（图2）：V原子跨界面扩散进入胞状结构的Al12Fe3Si相，将其转变为结构更稳定的Al12（Fe,V）3Si相，非晶结构则同步转化为热稳定Al3（Sc,Zr）纳米颗粒。两相紧密结合、成对分布，形成复合纳米析出相，总体积分数达约37.7vol%，平均尺寸仅56nm，析出相含量与细化程度均远超传统工艺制备的耐热铝合金（图3）。

　　图1 a，背散射扫描电子显微镜（SEM）图像：展示了低倍下的微观结构，其中BD表示构建方向，白色虚线勾勒出熔池边界。b-f,高角差场透射电子显微镜（HAADF-STEM）图像：展示了熔池中心（MPC）与熔池边界（MPB）之间的界面（b），以及MPC内的微观结构特征（c）。典型的HAADF图像分别显示了Al12Fe3Si相（d）及其原子分辨率图像和快速傅里叶变换（FFT）图谱（e），以及（Al,V,Sc,Zr）非晶相（f）。

　　图2 a-d,HADDF-STEM图像：显示体积分数极高的Al12（Fe,V）3Si/Al3（Sc,Zr）复合纳米沉淀（a），以及显示复合纳米沉淀物细节的透射电子显微镜（TEM）图像（b），其中分别给出了Al12（Fe,V）3Si（c）和Al3（Sc,Zr）（d）的原子分辨率图像及快速傅里叶变换（FFT）图谱。e，典型APT图像：显示了纳米沉淀物内的元素分布。f，相变示意图：展示了热处理过程中原位相变所导致的微观结构演变。

　　图3 a，示意图展示了钒（V）向Al12Fe3Si中扩散，从而引发Al12Fe3Si向Al12（Fe,V）3Si的原位相变，以及钒（V）向外扩散，促使非晶相原位结晶为Al3（Sc,Zr）纳米颗粒。b，Al12（Fe,V）3Si和Al12Fe3Si相原子形成能DFT模拟结果及其对比。c，Al基体中过饱和V原子浓度与平衡浓度之间化学势差的DFT模拟结果。d、增材制造Al-Fe-V-Si-Sc-Zr合金中纳米沉淀相体积百分数和尺寸与其他耐热铝合金中沉淀相的对比。

　　研究意义

　　研究进一步揭示，这种两相共生结构形成了独特的“生长相互约束”效应：两种纳米相颗粒界面相互钉扎，从动力学层面抑制了析出相的高温粗化。这种基于动力学约束的稳定化机制区别于传统界面溶质偏聚、晶格键能强化等热力学主导的稳定化思路，赋予复合析出相前所未有的抗粗化能力。超常的微观组织热稳定性带来了突破性的高温力学性能（图4），该合金在400℃下抗拉强度高达230MPa、500℃下仍保持约120MPa的高强度，显著超越现有铸造与增材制造铝合金的高温强度水平。在400℃与500℃下抵抗长时缓慢变形的能力（稳态蠕变速率）与现有耐热铝合金相比均高出2-3个数量级，其500℃时抗蠕变性能甚至优于多数传统耐热铝合金在400℃下的表现。该研究首次将可近净成形（打印即接近零件最终形状、几乎无需再加工）增材制造铝合金的服役温度提升至500℃量级，打破了“耐热高强铝合金无法突破500℃服役极限”的传统认知，为轻合金高温组织设计提供了“动力学约束稳定化”的新范式，有望在航空航天高温结构件、新能源装备换热部件等领域实现大幅减重与能效提升。

　　图4 a，Al合金中析出物的粗化速率常数（κ）与温度的关系。b，Al12（Fe,V）3Si/Al3（Sc,Zr）复合纳米析出物在500°C下随暴露时间增加的r3值变化，并与Al12（Fe,V）3Si及Al3（Sc,Zr）纳米析出物进行对比。c，Al-Fe-V-Si-Sc-Zr和Al-Fe-V-Si合金在400°C和500°C下进行拉伸试验所得的工程应力-应变曲线。d，本研究中Al-Fe-V-Si-Sc-Zr合金（红色星号）分别在400°C和500°C下的抗拉强度及其与他人报道铝合金的对比。E，f，在400°C（e）500°C（f）温度下，该合金稳态蠕变速率随蠕变应力的变化及其与他人报道铝合金的对比。

　　论文信息

　　相关研究结果以“增材制造实现500°C级耐热铝合金（500°C-resistant Al alloys achieved by additive manufacturing）”为题发表在《今日材料》（Materials Today 99（2026）103453）上，西安交通大学博士生王之路、上海交通大学闫哲助理教授为论文共同第一作者，西安交通大学薛嗣创教授、刘刚教授、孙军院士以及法国格勒诺布尔大学Alexis Deschamps教授为论文共同通讯作者。论文合作者还包括西安交通大学博士生王文委教和黄裳，以及上海交通大学龚鸣宇教授。研究工作得到了国家自然科学基金、陕西省新材料实验室开放基金、“111”计划等项目的资助，相关表征实验得到了上海同步辐射光源、西安交通大学仪器分析中心等平台的支持。