4月25日，我院钟圣怡教授、黎阳副研究员团队在高强韧增材制造铝合金研究方面取得重要进展。相关成果以 “Strong 3D-printed aluminium reinforced with ductile-transformable eutectic nano-skeleton” 为题发表于 Nature Communications。黎阳副研究员、陈婷婷博士生为共同第一作者，钟圣怡教授、陈哲教授为共同通讯作者。
图1：相关成果发表于 Nature Communications。图片来源：Nature Communications 论文页面。
该研究面向激光粉末床熔融增材制造铝合金中长期存在的强度、塑性与成形性协同难题，提出了基于 Al–Er 近共晶体系的高强增材制造铝合金设计策略，构建出能够参与承载、变形和加工硬化的 Al₃(Er,Mg) 共晶纳米骨架，为高性能轻量化金属材料的主动设计提供了新的研究路径。
该工作将材料集成计算、第一性原理掺杂元素筛选、非平衡凝固组织设计、同步辐射原位表征和工程验证相结合，体现了面向复杂工程需求开展新材料研发的交叉研究特点，也与学院推进国际化、工程导向和人工智能赋能工程教育的发展方向相呼应。
研究背景
高性能铝合金是航空航天、机器人、低空飞行器、交通装备和高端工业结构件等领域的重要轻量化材料。增材制造为复杂轻量化结构提供了新的制造手段，但传统高强铝合金在激光快速凝固和循环热应力环境下，容易受到热裂纹、组织稳定性不足和工艺窗口受限等问题制约。
近共晶铝合金具有较好的凝固成形特征，适合在增材制造快速凝固条件下形成细密组织。然而，高体积分数共晶金属间化合物通常偏脆，容易限制材料塑性和服役可靠性。如何使共晶金属间化合物从传统意义上的硬质增强相，发展为能够参与承载、协同变形和加工硬化的结构单元，是该研究聚焦的核心科学问题。
围绕这一问题，研究团队将材料集成计算、第一性原理计算、非平衡凝固组织设计和多尺度机制验证结合起来，建立了面向增材制造过程的 Al–Er 近共晶高强铝合金主动设计框架。
成果创新点
建立基于 Al–Er 近共晶体系的增材制造铝合金设计路线
团队选择 Al–Er 近共晶体系作为基础，主要基于 Al₃Er 与 α-Al 基体之间较好的晶体学相容性，以及 Al–Er 近共晶成分区在激光快速凝固条件下形成连续共晶纳米骨架的潜力。通过非平衡凝固相图和快速凝固组织选择图，研究明确了 LPBF 条件下共晶骨架形成的成分窗口和组织路径。
图2：面向增材制造的 Al–Er 体系设计思路：从晶体结构相容性、非平衡凝固相图到快速凝固组织选择图，建立可形成连续共晶纳米骨架的设计依据。图片来源：Li et al., Nature Communications (2026)。
通过 AI 材料计算筛选关键掺杂元素
团队围绕 Al₃Er 相开展第一性原理计算，系统评估 25 种掺杂元素对层错能、固溶能和变形相关能量参数的影响。计算结果支持 Mg 作为关键调控元素引入 Al–Er 近共晶体系。Mg 不仅有助于降低 Al₃Er 相的层错能，也参与 Al₃(Er,Mg) 共晶骨架中的原子占位和化学有序结构调控，为后续纳米孪晶和 9R 结构转变提供原子尺度基础。
图3：第一性原理计算辅助掺杂元素筛选：通过比较不同元素对 Al₃Er 相层错能和固溶能的影响，筛选有利于提高 Al₃Er 变形能力的候选元素，其中 Mg 兼具层错能降低效果和工程引入可行性。图片来源：研究团队。
提出可变形共晶纳米骨架设计策略
研究发现，RAE 系列 Al–Er–Mg 合金中的 Al₃(Er,Mg) 共晶纳米骨架能够在拉伸过程中参与承载、变形和加工硬化。L1₂-Al₃(Er,Mg) 中可形成纳米孪晶，P3m1-Al₃(Er,Mg) 中可发生 9R 型长周期堆垛结构转变。这一机制为高强度与可用塑性的协同提供了新的组织设计思路。
图4：RAE600 合金中形成的 Al₃(Er,Mg) 共晶纳米骨架及其原子尺度结构特征。Mg 原子占位和化学有序结构调控，是骨架具备可变形能力的重要基础。图片来源：Li et al., Nature Communications (2026)。
通过同步辐射原位实验揭示强塑性协同机制
研究团队开展了同步辐射原位拉伸 X 射线衍射实验。实验表明，Al₃(Er,Mg) 共晶纳米骨架在加载过程中承担较高载荷，并在塑性阶段持续发生缺陷累积和加工硬化；α-Al 基体与共晶骨架之间保持较好的界面相容性，有助于延缓局部应变集中。结合原子尺度 STEM 表征和理论计算，研究进一步阐明了该材料实现高强度与可用塑性协同的机制基础。
图5：热处理态 L-PBF RAE600 合金同步辐射 X 射线衍射监测下的原位拉伸结果。图中展示了实验几何、衍射峰演化、晶格应力与峰宽变化，表明 Al₃(Er,Mg) 共晶纳米骨架在拉伸过程中承担较高载荷，并伴随缺陷累积与加工硬化。图片来源：Li et al., Nature Communications (2026)。
推动材料从科学设计走向工程验证
基于上述设计，RAE 系列 Al–Er 基合金实现了 600–700 MPa 级强度，并保持工程可用塑性和较好的打印成形稳定性。目前，相关材料已进入粉末制备、打印工艺开发、热处理优化和复杂构件验证等工程化环节。工程化推进过程中，团队与聚塔时代（Acc Material Technology）、中航工业、航天科技、航天科工等单位开展了粉末制备、工艺窗口开发和复杂构件验证工作，为材料后续应用提供了基础。
图6：RAE 系列 Al–Er 基合金的拉伸性能及与其他增材制造铝合金的性能对比，同时展示采用 RAE600 制备的代表性复杂结构件。图片来源：Li et al., Nature Communications (2026)。
图7：RAE600 合金粉末及批量化产品照片。图片来源：聚塔时代。
团队介绍
钟圣怡教授、黎阳副研究员团队围绕“从原子到工程应用”的新材料设计与制造开展研究，重点发展物理约束 AI、跨尺度先进表征和智能实验方法，面向新材料研发中的成分设计、组织调控、性能预测和工程验证等关键环节，探索“设计-计算-实验-反馈”的闭环研发模式。
团队依托中子科学与技术全国重点实验室等平台，发展先进中子测试技术和多尺度材料表征方法，建设面向工程构件残余应力、织构、纳米相等微观结构的无损定量表征能力，并将 AI 材料计算、材料基因组方法与实验验证相结合，服务于高性能结构材料和复杂工程构件研发。此次 RAE 系列 Al–Er 近共晶高强增材制造铝合金研究，是团队相关方向的重要实践。
团队研究工作为巴黎卓越工程师学院开展交叉型、工程导向人才培养提供了真实科研场景。围绕高性能材料设计与制造问题，学生和青年科研人员能够在材料科学、人工智能、先进制造和工程应用交叉环境中开展训练，逐步建立从科学问题提出、AI 计算建模、实验验证到工程应用转化的系统认识。相关方向也将为学院推进人工智能赋能工程教育和新工科建设提供持续支撑。
ABOUT
论文题目：
Strong 3D-printed aluminium reinforced with ductile-transformable eutectic nano-skeleton
期刊：Nature Communications
DOI：10.1038/s41467-026-72256-4
全文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-026-72256-4
来源｜科研办
文图｜黎阳
排版｜林敏
责编｜付雅宁