在增材制造（AM）領域，我們常常面對一個棘手的矛盾：傳統(tǒng)的高強度鋁合金往往難以打印，而易于打印的合金其性能又無法滿足高端需求。例如，廣泛使用的Al 7075合金就因熱裂敏感性高，通常認為難以直接打印。

論文鏈接：

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

最近，一項來自麻省理工學院等研究團隊、發(fā)表于Advanced Materials的研究帶來了新思路。研究團隊通過一套創(chuàng)新的 “計算-實驗”混合流程，成功設計并制備出一種名為Al-0.4Er-1Zr-1.33Ni 的新型合金。研究團隊制備了合金粉末并通過增材制造制成無裂紋的宏觀試樣，其強度是同類鑄造合金的五倍，與鍛造Al 7075相當。并且研究團隊指出“在400°C度高溫環(huán)境下時效 48小時后，該合金的強度沒有明顯下降?！?本期谷·專欄將簡要分享這一研究成果。

對“快速凝固”的巧妙利用

與傳統(tǒng)鑄造的緩慢冷卻不同，激光粉末床熔融（LPBF）技術本質上是極快的冷卻過程。

研究團隊發(fā)現(xiàn)，對于特定成分的鋁合金，快速凝固能誘發(fā)出一個關鍵的亞微米尺度（約100 nm）的“亞穩(wěn)三元相”。這個相本身并非最終的強化相，但它是一個至關重要的 “前驅體” 和 “反應元素庫” 。

在后續(xù)對打印材料進行熱處理時，這個前驅體便會轉化為真正起到強化作用的、納米尺度的L1?-Al?M相。正是這些在高溫下仍抗粗化的納米析出相，使材料獲得了明顯高于基準合金的強度。

圖1. 合金設計概念圖 (論文Figure 1，展示三種不同凝固路徑與最終硬度對比)清晰揭示設計精髓：借助快速凝固形成亞穩(wěn)三元相（藍色路徑），最終得到納米級析出相和最高硬度。

機器學習和計算模型

那么，研究團隊如何鎖定這一“最優(yōu)成分”？

面對Al-Er-Zr-Y-Yb-Ni這個龐大的成分體系，傳統(tǒng)的“試錯法”無異于大海撈針。麻省理工學院團隊采用的方式是：讓機器學習和計算模型來幫忙。

他們構建了一套高效的集成設計流程：

1. 定義目標：首先明確，理想的合金必須在高溫下具備高強度的“性能描述符”（如高L1?相分數(shù)、低粗化指標）和良好的“可打印性描述符”（如低熱裂紋敏感性）。

2. 高通量計算：通過熱力學計算，對數(shù)十萬種虛擬成分進行模擬，初步鎖定關鍵元素——Zr和Er對降低粗化指標至關重要。

3. 機器學習建模：研究團隊采用神經網絡算法，在僅40組訓練樣本、5折交叉驗證的條件下，將測試RMSE降至3%，建立起從成分到粗化指標的代理模型，捕捉到元素間的非線性效應

4. 逆向設計：最后，采用貝葉斯優(yōu)化算法，在成分空間中主動搜尋最優(yōu)解，僅用約100個采樣點，鎖定使關鍵“粗化指標”下降71%的最佳成分，查詢效率顯著高于隨機搜索。

圖2. 逆向設計效能對比圖 (論文Figure 5b，展示貝葉斯優(yōu)化與隨機采樣的效率差異)

該圖展示了數(shù)據(jù)驅動設計的威力：機器學習指導的搜索，以更少計算量獲得找到更優(yōu)性能“配方”。

經上述流程確定的合金Al-0.4Er-1Zr-1.33Ni 在實驗中顯示出與預測一致的力學性能與可打印性：

可打印性驗證：激光掃描與LPBF打印樣品均未觀察到裂紋，而相同條件下的Al 7075樣品存在明顯裂紋。

超高的強度與硬度：3D打印的樣品在經過400°C、8小時的時效處理后，達到了性能峰值。

硬度：論文指出，其“硬度（200 HV）再次比基準合金（133 HV）高出50%”。

拉伸強度：論文指出，其“室溫拉伸強度達到395 MPa，同樣比參照基準鋁合金（275 MPa）高出約50%?！?/p>

卓越的熱穩(wěn)定性：研究團隊在論文中指出，此高強度“且在400°C時效48小時后仍無明顯下降”，證明了其納米析出相確實具有強大的抗粗化能力。

圖3. 力學性能對比圖 (論文文Figure 6c，展示新設計合金與基準合金的拉伸曲線對比)

在納米世界尋找證據(jù)

理論需要實證支持。通過高分辨率的微觀結構表征，研究人員在打印出的合金中清晰地看到了他們設計的一切：

掃描電鏡和透射電鏡確認了晶界處存在作為前驅體的三元相。

更重要的是，在晶粒內部，他們觀察到了彌散分布的、尺寸僅為1-5 nm的強化相，這些相具有L1?有序結構。

原子探針技術更是從成分上證實，這些納米析出相正是設計的L1?-Al?(Er,Zr)，而較大的第二相則是預期的三元化合物。

圖4. 納米析出相表征(論文Figure 3，展示原子分辨率下的L1?納米析出相)

這些圖像直觀地顯示，設計的微觀結構已與計算預測結果一致。

總結與展望

這項研究，成功地完成了從一個虛擬預測到實驗驗證的完整合金設計周期。其核心在于通過成分設計，充分利用快速凝固條件，獲得了具有抗粗化能力的納米級析出相，從而實現(xiàn)傳統(tǒng)方法難以獲得的高溫強度。

展望未來，這種亞微米級亞穩(wěn)相析出策略完全可以拓展至其他合金體系。而這項工作中所發(fā)展的集成計算與實驗的流程，更為加速設計新一代增材制造及傳統(tǒng)制造用結構合金，為后續(xù)合金設計提供了可復制的流程。

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