《Nature Communications》中南大学“内在吸引”策略:增材制造铝合金400°C高温不软化

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前言

近日,中南大学粉末冶金国家重点实验室的研究团队在 《Nature Communications》 上发表了一项重磅成果(https://doi.org/10.1038/s41467-026-71390-3)。他们提出了一种名为 "内在吸引"(Intrinsic Attraction, IA)的合金设计新策略,成功开发出一种适用于激光粉末床熔融(PBF-LB)3D打印的高温高强铝合金。这种新材料在400°C下仍能保持约190MPa的强度,并且可以无裂纹打印出直径超过150mm的整体叶盘。

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核心内容

团队提出了一种反向工程思路:先明确需要抑制哪些缺陷,再筛选出与这些缺陷具有强内在吸引的合金元素。

他们从三个维度入手:

①空位锚定(Cr)

Cr原子与空位的结合能高达0.34eV,能够形成稳定的溶质-空位复合体,阻止空位长程迁移,从而切断析出相粗化的"燃料供给"。

②位错拖曳(Fe、Cr)

Fe和Cr原子倾向于在位错核心周围聚集,形成溶质气团,像"锚"一样拖曳位错运动,显著降低高温蠕变速率。

③析出相稳定化(Sc、Zr)

Sc和Zr与Fe/Cr原子形成强结合,偏聚在析出相界面甚至内部,抑制Ostwald粗化,让纳米强化相在高温下依然"身材保持良好"。

最终,团队确定了Al-Fe-Cr-Sc-Zr作为目标合金,并通过PBF-LB成功制备。

通过EBSD、TEM、APT等先进表征手段,团队揭示了IA合金的"内功":

双峰晶粒结构:熔池内部为柱状晶(~7.7μm),边界为等轴晶(~1.1μm),有效阻碍裂纹扩展。

多重强化相:

柱状晶区:Al₆Fe共晶网络;

等轴晶区:Al₁₃(Fe,Cr)₂₋₄相(10--150nm);

基体内:L1₂Al₃(Sc,Zr)纳米析出相(~2.5nm),与基体完全共格。

溶质-空位团簇:正电子湮没和APT证实,IA合金中存在大量V-Fe-Cr-Sc-V型团簇,密度高达10²⁵/m³,在300°C蠕变100小时后依然稳定。

正是这些多尺度、多层次的微观组织,赋予了IA合金卓越的高温力学性能。

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研究意义

这项研究的核心价值在于:它不是靠试错,而是靠"反向设计"。

团队从原子间的内在吸引力出发,预先设定元素在特定缺陷位点的偏聚倾向,从而主动控制缺陷行为。这一思路超越了传统的低扩散系数合金设计范式,为高温铝合金、镁合金乃至镍基高温合金的开发提供了全新路径。

正如审稿人所评价的:"这项工作通过多维度缺陷锚定,为增材制造高温合金开辟了全新的设计空间。"

图1:内在吸引设计策略

图2:采用PBF-LB制备并随后热处理的IA合金的力学性能与成形性能

图3:热处理态PBF-LB IA合金的总体微观结构及析出相的APT分析

图4:IA合金中用于捕获空位的溶质-空位团簇的形成

图5:析出相的APT表征及计算得到的置换能

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