耐热超强Al-Si合金的增材制造应用：通过固溶与沉淀强化实现高温稳定性

为解决传统Al-Si合金在高温环境下机械性能急剧下降的问题，西北工业大学黄鹤远团队通过引入Fe、Mn、Ni等过渡金属元素，开发出具有细晶粒和稳定晶界的Al-Si-Fe-Mn-Ni合金。该合金通过SLM（选择性激光熔化）技术制备，利用固溶强化和沉淀强化机制，在25°C和200°C下分别实现556 MPa和372 MPa的抗拉强度，较商用AlSi10Mg强度提升157%，为极端环境下的结构件应用提供了新方案。

　　

在航空航天和汽车工业领域，传统Al-Si合金面临严峻挑战——当温度超过150°C时，其机械强度会骤降50%以上。这是因为商用Al-Si-Mg或Al-Cu合金中的强化相（如Mg₂Si或Al₂Cu）具有温度敏感性，在高温下容易溶解失效。随着高超音速飞行器等极端环境应用需求的增长，开发具有优异高温稳定性的新型铝合金成为当务之急。

西北工业大学航空学院与民用航空学院联合团队在《Cell Reports Physical Science》发表的研究中，创新性地提出通过多元素协同强化的设计策略。研究人员采用选择性激光熔化(SLM)技术制备了Al-7.8Si-2.3Fe-1.3Mn-1.5Ni合金，通过精确控制Mn/Fe比（约0.56），成功将有害的β-Al₉Fe₂Si₂针状相转化为α-Al(FeMn)Si强化相。结合显微CT、EBSD和TEM等先进表征技术，发现该合金具有独特的"鱼鳞状"熔池结构，熔池边界分布着0.5-1μm的纳米等轴晶，内部则为10-50μm的柱状晶，平均晶粒尺寸仅4.85μm。

关键技术方法包括：真空气体雾化法制备合金粉末，优化SLM工艺参数（激光功率370W，扫描速度1200mm/s），通过Johnson-Cook本构模型进行有限元模拟，并采用ASTM标准进行室温/200°C下的拉伸、压缩、剪切及高低周疲劳测试。特别设计了Gyroid型三周期极小曲面(TPMS)晶格结构来评估实际应用性能。

【微观结构特征】

通过Micro-CT分析显示合金孔隙率仅0.454%，无裂纹等缺陷。TEM证实存在Al₆Mn和Al₁₇(Fe_3.2Mn_0.8)Si₂等纳米沉淀相，与α-Al基体形成共格界面。电子探针分析发现Ni元素以固溶态均匀分布，而Fe、Mn在熔池边界富集，形成高密度热稳定金属间化合物。

【力学性能突破】

室温测试显示合金屈服强度达325MPa，抗拉强度584MPa，延伸率5.3%；200°C时仍保持249MPa屈服强度和373MPa抗拉强度，延伸率提升至14.3%。高周疲劳测试中，在200°C/160MPa应力幅下，其疲劳寿命显著优于AlSi10Mg。断口分析表明高温下裂纹扩展区出现更密集的疲劳辉纹，反映优异的抗裂纹扩展能力。

【结构应用验证】

采用该合金制备的Gyroid-TPMS支架表现出卓越的承载能力：室温压缩强度比AlSi10Mg提高144%，200°C时提升达157%。有限元模拟显示其应力分布更均匀，具有典型的逐层失效模式。

这项研究通过创新的多元素协同强化策略，成功解决了传统Al-Si合金高温性能不足的行业难题。特别值得注意的是，通过Mn元素的精准调控，不仅抑制了有害Fe相的生成，还促进了Al₆Mn强化相沉淀，这种"一石二鸟"的设计思路为高性能合金开发提供了新范式。实际应用中，该合金在保持良好塑性的同时，其200°C下的强度指标已接近某些钛合金水平，而成本仅为后者的1/5。研究团队提出的"固溶强化+沉淀强化+晶界工程"三重增强机制，为开发适用于300°C以下工作环境的新型结构材料指明了方向，在航空发动机短舱、航天器热防护系统等领域具有广阔应用前景。