在全球碳中和目标推进、高端制造升级及轻量化技术革新的背景下，轻量化、高性能铝合金是航空航天、交通运输等领域的关键结构材料，激光粉末床熔融（PBF-LB）增材制造技术因能制备复杂构件备受关注，但现有合金存在易热裂、高温性能不稳定等局限。

据报道，近日日本名古屋大学的研究人员开发了一系列新型铝合金，利用金属3D打印技术优化了其高强度和耐热性，目标是应用到汽车和航空航天领域。

在之前的研究中，由于铁（Fe）通常会导致金属脆性和易腐蚀，研究学者通常会避免在铝中加入Fe元素。而该设计以铁为核心，结合激光粉末床熔融的快速凝固特性，使熔体数秒内凝固并突破常规热力学平衡，达到300℃下优异的强塑性。同时该研究也以“Design of high-performance sustainable aluminum alloy series for laser additive manufacturing”为题被发表在了期刊《Nature Communications》上。

文章链接：

https://doi.org/10.1038/s41467-025-67281-8

【核心设计】

该研究提出“液相/固相选择性分配”设计思路，利用元素在凝固过程中的分配特性，让Cu、Mn共晶型元素优先进入液相稳定Al₆Fe强化相，包晶型元素Ti进入固相α-Al基体实现固溶强化与晶粒细化。同时，该研究还将回收废料中常见的Fe和Mn等杂质，将它们转化为有益的强化组元，并通过PBF-LB快速凝固形成亚稳Al₆Fe相，替代脆性Al₁₃Fe₄相，实现可回收和高性能。

适用于PBF-LB工艺的Al-Fe多元素系统设计概念

【研究成果】

① 三元合金力学性能

Al-Fe-Cu合金的室温抗拉强度超过350MPa，其主要依靠纳米析出相增强应变硬化。Al-Fe-Mn合金在300℃下屈服强度高于220MPa，具有优异的高温稳定性。另外，Al-Fe-Ti合金室温伸长率达15%，晶粒能够被细化至2.3μm，其力学性能各向同性被显著提升。

三元合金的力学性能

② 四元合金力学性能

Al-Fe-Cu-Mn合金的室温抗拉强度可以达到450MPa，是所有合金中强度方面的最佳值。Al-Fe-Mn-Ti合金在300℃下屈服强度超250MPa，且在300℃下保温100h后性能无衰减，实现了14-17%的室温延展性和高温强度的平衡，该指标优于现有耐热铝合金。

四元合金微观组织及力学性能

通过PBF-LB制备的Al-Fe-Mn-Ti合金力学性能

③ 微观组织调控

Ti的添加可以诱导合金中Al₃Ti纳米颗粒异质形核，并使柱状晶转变为等轴细晶，显著改善合金的延展性。Cu和Mn可替换Al₆Fe相中亚晶格位点，形成(Al,Cu)₆Fe和Al₆(Fe,Mn)相，提高强化相分数与稳定性。

3D打印后铝合金微观组织图

④ 应用价值

该研究中的这些新合金采用了丰富且低成本的元素，并且设计上注重回收。该方法依赖于关于元素在快速凝固过程中3D打印行为的科学原理，并适用于其他金属。传统铝合金在3D打印过程中经常出现裂纹或变形，而这些合金比传统高强度铝更容易被打印。

细金属粉末用于3D打印新的铝合金

【总结与展望】

该研究成功开发出适配激光粉末床熔融技术的Al-Fe基多元素合金，实现了铝合金可持续性与高性能的协同突破。这些新合金有望在汽车和航空航天系统中实现轻质铝制部件，并为设计适合3D打印的金属提供了框架，有望加速多个行业的材料开发。