中车研究院推出各向同性、600MPa超高强3D打印铝合金！

2025年5月15日

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面对航空航天、轨道交通等领域对结构轻量化的迫切需求，“轻质高强材料+结构优化设计”已成为先进制造业发展的核心方向。高强度铝合金激光增材制造技术正在成为解决航空航天、汽车、高铁等领域复杂轻量化构件成形难题的有效途径。

然而，传统2xxx与7xxx铝合金增材制造面临“易热裂、强韧性低且性能分散”的问题，可用于增材制造的商用铝硅系合金力学性能不足，难以满足极端工况下核心零部件对优异综合力学性能的要求，不利于铝合金零件的可靠服役。此外，现有增材制造高强铝合金存在易开裂、残余应力集中、力学性能各向异性等问题，严重制约其产业化应用。

基于上述背景，中车研究院先进成形技术研究室于2020年提出了基于裂纹抑制与强韧化协同的增材制造铝合金成分设计方法，并研制出550MPa级高强铝合金材料和成形工艺。但近年来，随着市场对铝合金零部件强度要求的不断提升，研发团队经过持续迭代和探索，在第一代材料体系基础上，深入研究了Al-Si共晶补缩与Sc-Zr晶粒细化的协同阻裂机制，建立了Si含量与Sc-Zr含量的当量匹配关系，系统揭示了Si、Sc元素含量对铝合金裂纹敏感性、强度和塑性的影响规律。通过精确调控Si、Sc元素配比，在有效抑制裂纹形成的同时，显著提升了析出强化效果，所得析出相呈细小弥散态，均匀分布于晶界及晶内区域，从而确保材料在高载荷条件下的变形稳定性；同时通过优化Mg、Mn元素配比，协同提升了固溶强化与第二相强化效果。最终成功研制出各向同性、延伸率超过10%的600MPa级超高强增材制造铝合金材料。

600MPa级超高强铝合金粉末材料采用真空感应熔炼惰性气体雾化（VIGA）技术制备，具有优异的物理特性：粒径分布窄、球形度高、空心粉率低、氧含量超低，且批次稳定性良好。

600MPa级超高强铝合金材料具有近全等轴晶粒组织，晶体学取向呈随机分布，晶粒尺寸呈现微米级粗晶与亚微米级细晶共存的双峰分布特征。团队同步探索了时效热处理工艺，实现了纳米尺度强化相的均匀弥散析出，同时有效抑制了初生相的粗化行为，时效工艺的精确调控显著降低了熔池边界处的应力集中现象，解决了增材制造高强铝合金材料沿沉积方向拉伸塑性低的难题，获得了各向同性力学性能。

600MPa级超高强铝合金EBSD图：(a)IPF；(b)晶粒尺寸；(c)极图

基于“材料-工艺-组织-性能-应用”全流程协同优化理念，团队针对大尺寸高强铝合金零部件增材制造过程中存在的残余应力累积和变形开裂的难题，开发了融合动态能量调控、分区路径规划和低氧循环系统的综合解决方案，实现了热输入精确匹配、热应力有效分散、组织均匀性显著提高，为高性能铝合金零部件制造提供了可靠工艺保障。