通过仿生纳米级非晶态限制技术，成功制备出3D打印的超强耐热铝合金

《Materials Today》：3-D printed ultrastrong heat-resistant aluminum alloy achieved by bioinspired nanoscale amorphous confinement

基于生物启发的纳米限域策略，本研究通过3D打印技术制备出连续晶态-非晶态互穿网络结构的铝合金，有效抑制位错运动与晶界迁移，显著提升高温力学性能。与传统离散强化相比，该结构实现应力连续传递，使材料在300°C仍保持优异强度和抗蠕变性能，100小时高温暴露后强度保留率达80%以上。

　　

李明熙|刘茂文|李国东|刘增谦|方飞|马朝丽|张哲峰|罗伯特·O·里奇|郑瑞晓

北京航空航天大学材料科学与工程学院，中国北京100191

摘要

铝合金在高温下的应用受到其较差的热稳定性、较高的蠕变倾向以及高温下有限的强度的限制。传统的弥散强化方法在克服这些挑战方面存在固有的局限性。本文提出了一种受生物启发的纳米级限制策略，通过工程化设计一种连续的三维晶态-非晶态互穿网络结构来实现，这种结构类似于天然生物材料中的结构。该策略应用于一种增材制造的铝合金中，提供了严格的空间限制，有效阻碍了位错运动、晶界迁移和原子扩散。除了良好的可打印性外，这种打印出的合金在室温到高温范围内都表现出超高的强度、优异的蠕变抗力以及出色的热稳定性——这些特性的协同作用显著优于以往报道的材料。这项工作展示了利用连续纳米级非晶网络来强化材料的概念，而不是分散的颗粒，通过借鉴自然界中的纳米级限制效应来实现。

引言

由于铝合金具有较高的强度重量比和优异的耐腐蚀性，它们被广泛应用于航空、航天和运输等领域[1]，在提高能源效率和减少碳排放方面发挥着重要作用。然而，与钢和钛合金这两种其他广泛使用的金属结构材料相比，铝合金的热稳定性较差。它们的强度随温度升高而显著降低，在高温下极易发生蠕变，并且微观结构的热稳定性也很差[2]。这些因素成为铝合金在高温环境下应用的主要瓶颈。传统的增强铝合金热稳定性的方法主要依赖于将高密度的细分散第二相颗粒引入金属基体中，要么通过合金设计结合热处理来诱导原位沉淀[3]、[4]，要么通过粉末冶金等技术进行外部添加[5]、[6]。这些颗粒通过两种主要机制改善材料性能：(i) 作为位错运动的障碍，例如通过Orowan机制强制位错绕行[7]；(ii) 固定晶界，即通过Zener机制[8]，抑制晶界迁移和晶粒粗化，从而提高微观结构稳定性。

然而，这种传统方法存在重大局限性。首先，随着温度的升高，位错和晶界的移动性增强，它们可以穿过颗粒之间的间隙[9]，从而大大削弱了这些不连续增强体所施加的空间限制。在这种情况下，颗粒更像是一个松散构建的围栏，而不是一个坚固的墙壁。其次，特别是原位沉淀的第二相，在高温下容易发生Ostwald成熟[10]。在这个过程中，较小的颗粒由于其较高的表面能而溶解，而较大的颗粒则生长，导致颗粒间距增大和颗粒数密度降低。这种现象削弱了第二相的强化效果，并降低了材料的热稳定性。此外，第二相颗粒的空间不连续性阻碍了它们之间的直接应力传递，从而限制了其强化潜力的充分发挥。颗粒周围还可能产生应力集中，促进基体的塑性变形以及空洞的形核和微裂纹的产生[11]。

与合成材料典型的弥散强化机制不同，自然界中进化出的生物材料（如珍珠母和牙齿）通常由成分组成，这些成分并没有严格划分为第二相和基体。相反，这些成分在三维空间中保持微观、纳米甚至更小尺度上的连续性，交织形成一种相互连接的三维网络复合结构[12]。特别是，在各种生物材料中含量较低且厚度较小的成分——通常称为界面相——通常处于非晶态，这提供了出色的空间连续性，而没有内部界面分离[13]、[14]、[15]。典型的例子包括珍珠母中方解石片层之间的连续非晶蛋白质有机相[15]，以及哺乳动物牙釉质中羟基磷灰石纳米纤维之间的非晶磷酸钙[16]。这种三维晶态-非晶态互穿网络在纳米级甚至更小的长度尺度上提供了严格的空间限制，有效限制了内部损伤的演变和传播，同时实现了不同成分之间以及每个成分内部的应力传递。通过这种机制，天然生物材料不仅在复杂的生理环境中的生长和代谢过程中获得了出色的机械性能和结构稳定性，而且在恶劣甚至极端的服务条件下也是如此。事实上，某些生物材料（如水下火山附近的壳体[17]）凭借这些结构能够承受极端环境。

受到自然的启发，我们提出了一种新的材料高温强化策略，利用纳米级限制通过原位形成连续的晶态-非晶纳米级网络复合结构。这一概念使用高溶质含量的铝合金作为演示平台，利用3D打印提供的高冷却速率和固化前沿的纳米级溶质重新分布，诱导了显著的成分过冷，并为非晶相的形成提供了强大的热力学驱动力。通过这种策略开发的铝合金在室温和高温下都表现出出色的机械性能，在室温下的极限抗拉强度（约676 MPa）是已报道的3D打印铝合金中最高的之一，而在300°C时的特定强度甚至超过了Ti-6Al-4V钛合金。它在高达400°C的高温下表现出极低的蠕变行为，蠕变率比其他铝合金降低了至少一个数量级，同时在长时间高温暴露（300°C下100小时）后仍保持了超过80%的初始强度。这种新策略与传统的弥散强化方法有根本性的不同，为开发先进的耐热金属材料提供了有希望的途径和机会。

结果

为了促进纳米级连续非晶网络的形成，我们选择了经典的耐热铝合金FVS0812（Al-8.5Fe-1.3V-1.7Si，重量百分比），该合金具有较高的溶质含量和陡峭的液相线斜率[18]。这些特性导致在固化过程中显著的成分过冷倾向[19]，从而为非晶相的形成提供了有利的热力学驱动力。激光粉末床熔融（LPBF）是一种广泛使用的增材

讨论

上述结果提供了令人信服的证据，证明了受生物启发的纳米级限制策略的有效性，这种策略适用于从室温到高温的广泛温度范围。这种效果是通过形成与晶相交织的三维连续非晶网络来实现的，从而产生了一种纳米级的晶态-非晶互穿网络复合结构。这与传统方法有根本的不同

结论

总之，我们提出了一种受生物启发的纳米级限制策略，用于从室温到高温强化材料，这与传统的弥散强化方法不同，并在增材制造的铝合金中验证了其有效性。该策略通过原位形成一种类似于天然生物材料中的纳米级晶态-非晶互穿网络结构来实现，利用了合金的高溶质含量

材料制备

FVS0812铝合金粉末通过气体雾化法制备，其化学组成为（重量百分比）：Al（剩余），Fe（8.43%），V（1.33%），Si（1.48%），C（0.018%），S（0.08%），O（0.048%），N（0.06%）。粉末的粒径范围为15–53 μm，中位直径（D₅₀）为34.3 μm。直径从50 nm到100 nm的TiB₂纳米颗粒购自银诺高科技材料发展有限公司。其化学组成为（重量百分比）：Ti（>68.2%），B（>30.8%），O

作者贡献声明

李明熙：研究、撰写——原始草稿、正式分析。刘茂文：研究、正式分析、撰写——原始草稿。李国东：研究、正式分析。刘增谦：研究、撰写——原始草稿、撰写——审阅与编辑、资金获取。方飞：研究。马朝丽：资金获取。张哲峰：资金获取。罗伯特·O·里奇：撰写——审阅与编辑。郑瑞晓：概念化、监督、撰写——审阅与

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（编号：52422101、92360303、52471152、52192594）、浙江省重点研发计划（编号：2024SSYS0078）、中国科学技术协会青年创新促进会（编号：2019191）、国际合作伙伴计划未来伙伴网络CAS以及辽宁杰出青年基金会（编号：2024JH3/50100015）的支持。

作者贡献

R.Z.构思并监督了该项目。M. Li和G.L.进行了主要的材料制备和微观结构表征