高强铝合金是航空航天、汽车及能源装备领域的关键材料。然而，传统高强铝合金（如Al7075）在激光粉末床熔融（LPBF）等增材制造过程中极易产生热裂纹，且难以维持高强度与高塑性的平衡。近日，麻省理工学院（MIT）联合美德多家科研院校的联合团队在国际材料领域的权威期刊《Advanced Materials》发表了题为“Additively Manufacturable High‐Strength Aluminum Alloys with Coarsening‐Resistant Microstructures Achieved via Rapid Solidification”的研究论文，在本论文中，研究团队提出：能否利用快速凝固下的非平衡条件，诱导形成稳定的亚稳相，从而兼顾强度、稳定性与可打印性，为此，他们聚焦于Al-Er-Zr-Y-Yb-Ni六元体系，设计出一种在快速凝固后能形成亚稳Al（23）Ni6M4（M=Er,Zr,Y,Yb）相、经时效后转变为抗粗化L12-Al3M相的新型高强铝合金。突破了长期困扰铝合金增材制造的“热裂敏感”以及强度与工艺适配性之间的矛盾，构建出具有优异抗粗化能力的纳米析出结构（强度提升五倍）。通讯作者为麻省理工学院的S. Mohadeseh Taheri-Mousavi博士和A. John Hart副教授。
文章链接：
https://doi.org/10.1002/adma.202509507
【核心内容】
该研究的各合金成分的含量并非是凭空得来的，团队通过CALPHAD进行热力学计算，并结合集成计算材料工程与贝叶斯优化算法，最终确定了最佳合金成分为 Al-0.4Er-1Zr-1.33Ni（at.%），经快速凝固与400℃×8h时效后，合金在室温下的抗拉强度达到395MPa，这一水平在目前增材制造铝合金中处于领先地位，已经可与传统锻造Al7075相当，更重要的是，团队经过系统的检测，确认打印样品无热裂缺陷且组织稳定，即这一性能具备充足的可重复性而非团队的研究特例，展示出可规模化制造的潜力。
【研究方法】
团队的核心目标是要设计出稳定性高且能够有效通过增材制造技术制备的高性能铝合金（性能要能够与传统锻造的铝合金相持平），整体研究采用的是计算模拟与实验验证的多尺度设计体系，通过CALPHAD热力学计算与计算统计，筛选出Er和Zr这两关键元素，结果表明其含量对L12相占比及粗化速率表现出显著调控作用。在此基础上，团队采用贝叶斯优化算法，将模型预测误差精准控制在3%以内，最终通过激光粉末床熔融（LPBF）制备模型预测出的合金，并对合金的热裂敏感性及力学性能完成了实验验证。
贝叶斯优化+ICME耦合设计流程图
【研究成果】
① 快速凝固诱导亚稳相形成，实现从微米到纳米的强化相尺度转变
增材制造过程中特殊的快速凝固特点能够有效避免合金在制备时发生传统铸造中常见的宏观偏析，且这一特殊的热过程还能够诱导合金内形成微米级的Al-Ni-M（M=Er,Zr,Y,Yb）三元相，这些亚稳态三元相会在后续时效过程中进一步演变为稳定的纳米级L12-Al3M强化相。
快速凝固与缓凝固路径对比示意图
② 纳米析出相结构稳定，具备卓越的抗粗化性能
室温下L12纳米析出物尺寸仅1-5 nm，体积分数占比达到了17%，在Er和Zr元素的协同作用下，L12相与基体间形成了低失配度的共格界面，抑制了合金在高温下的粗化，因此即使经过了在400℃×48h的长期时效处理后，合金的微观结构与力学性能均保持稳定。
原子分辨HAADF-STEM像及L12析出相的元素分布图
Er/Zr浓度对结构参数影响及Ni调控相分数演变
③ 机器学习助力高通量合金反向设计，快速锁定最优可打印成分
团队借助神经网络与贝叶斯优化算法，省略了大量的试错过程，大大提高了开发的效率，模型预测的Al-0.4Er-1Zr-1.33Ni合金，其粗化指标较基准合金降低71%，L12相含量提升40%，且在Scheil模拟下预测无热裂倾向。
元素含量与关键结构参数的Spearman相关热图
④ 成功实现3D打印高强铝合金，强度媲美Al7075且完全无裂纹
经400℃×8h时效后，合金的硬度达到200HV，与铸造这类传统的缓慢凝固工艺得到的微米级析出相相比，经过纳米强化相强化后的合金硬度要更高，在室温下合金的抗拉强度达395MPa，这一水平已经与锻造的Al7075持平。且团队通过CT扫描与EBSD进行多尺度表征确定样品完全无热裂缺陷，晶粒呈等轴、无织构分布，显示出该合金成分在增材制造领域具有优异的可加工性和稳定性。
力学性能与显微组织关联
【总结与展望】
团队利用增材制造快速凝固的特点，结合计算模拟筛选最佳合金成分，成功制备出了高强度铝合金，这项研究不仅推动了增材制造铝合金的可工业化应用，也为其他金属合金材料体系的设计提供了可迁移的设计范式。
