洞察
不同的微观结构对应不同的力学性能，柱状晶具有良好的定向生长特性，可使材料在特定方向上具有较高的强度和韧性；等轴晶则具有各向同性的特点，能够使材料在各个方向上具有均匀的性能。通过控制微观结构，可以根据实际应用需求，定制出在特定方向上具有高强度和韧性，同时又在其他方向上保持良好均匀性的材料，从而显著提升产品的整体力学性能。”
01 导语
在航空航天领域备受关注的增材制造（AM）高强度铝合金，因高循环疲劳性能不足长期制约其工程应用。北京科技大学曲选辉教授、张百成教授研究团队近期取得突破性进展——通过创新性微观结构设计策略，成功将激光粉末床熔合（LPBF）Al-Mn-Mg-Sc-Zr合金的疲劳强度推升至230MPa（107次循环），创下该领域国际最高纪录，其抗拉强度与塑性的综合表现更超越传统锻造工艺。这项发表于国际顶刊的研究，为高性能金属增材制造开辟了全新路径。
02 颠覆性创新：从”被动接受”到”主动设计”微观结构
传统LPBF工艺制造的铝合金普遍呈现单一柱状晶结构，在循环载荷下易因位错堆积引发早期失效。北京科技大学曲选辉教授研究团队（博士生孙金娥（第一作者），张百成教授（通讯作者），北京科技大学为第一通讯单位）与新加坡南洋理工大学Upadrasta Ramamurty教授，美国加州大学Punit Kumar教授（通讯作者）合作，突破性提出”动态热场调控”策略，通过精准调控激光扫描速度（450-1450 mm/s）与基板温度（25-200℃），在国际上首次实现同一合金体系内柱状晶、等轴晶及”柱状-等轴双晶形”三种微观结构的可控制备，将增材制造从”结构成形”推进到”性能定制”的新维度。
03 性能登顶：微观结构“裁剪”实现疲劳性能突破
(1) 工艺调控与多晶形态晶粒设计
研究团队通过调整LPBF工艺参数（如扫描速度、基板温度），成功制备了具有柱状晶、等轴晶及双晶形（双峰）微观结构的Al-Mn-Mg-Sc-Zr合金。其中，双晶结构通过柱状晶与等轴晶的协同分布，实现了230 MPa的疲劳强度（107次循环），较传统LPBF铝合金提升30%以上，创下该领域目前报道的最高值。
(a)TV1、(b) TV2和(c) TV3样品EBSD图；（d-f）极图，分别对应于（a-c）；（g，h）CG和EG的体积分数和晶界偏向角
(a)LPBF制备的TV1、TV2和TV3样品的循环疲劳 S-N曲线，(b)与AM和常规制造工艺制备的其他铝合金相比，LPBF Al-Mn-Mg-Sc-Zr合金的最大应力与失效循环次数，(c)采用AM和常规制造工艺制备的LPBF Al-Mn-Mg-Sc-Zr合金和其他铝合金的疲劳强度与抗拉强度
(2) 双晶结构的协同变形机制
双晶形微观结构在循环载荷下表现出独特的变形协同效应：柱状和等轴晶粒交替分布应变，持续延长应变硬化。这种协同作用不仅提升了HCF性能，还使LCF寿命显著延长。
(a)LPBF TV1、TV2、TV3显微结构的工作硬化速率曲线；(b)为(a)中红色框对应的放大图
等轴/柱状双晶形结构变形示意图
(3）等轴晶的局限性及优化方向
研究发现，完全等轴化结构虽能限制位错往复运动，但晶界处微裂纹的过早形成限制了疲劳强度的进一步提升。这一发现为未来通过晶界工程（如引入纳米析出相或梯度结构）优化疲劳性能提供了理论依据。
(4）强度与塑性的双重优势
力学性能：该合金抗拉强度达475±5–516±6MPa，延伸率约11%，优于传统高强度轧制/ECAP铝合金及同类增材制造Al-Mg-Sc-Zr合金。
疲劳性能：双晶结构的疲劳强度与完全等轴结构相当，但其LCF抗性更优，展现了多模态微观结构在复杂载荷环境下的应用潜力。
LPBF制备TV1、TV2和TV3样品的应力-应变曲线
04 工程价值：改写高端装备制造格局
该成果相较于传统工艺：
1.疲劳寿命提升2个数量级，可满足航空发动机叶片等关键件107次循环要求
2.制造成本降低30%（省去后续热处理工序）
3.材料利用率达98%，契合航空航天轻量化与可持续发展需求
工业应用前景：
该成果不仅为航空航天领域的高可靠性部件（如发动机支架、舱体结构）提供了材料设计范式，还可推广至新能源汽车、轨道交通等需兼顾轻量化与耐久性的场景。此外，团队提出的工艺参数优化方案（如扫描策略调整）与现有工业设备兼容，具备快速产业化潜力。
此项研究标志着金属增材制造从“成形控制”迈向“性能定制”的新阶段，为高性能铝合金的疲劳性能优化开辟了创新路径。相关成果已引起国际同行高度关注。
05 作者介绍
曲选辉 北京科技大学新材料技术研究院 教授 博士生导师
国家重大人才工程入选者，现任先进粉末冶金材料与技术北京市重点实验室主任，国务院学位委员会第八届学科评议组成员，教育部高等学校材料类专业教学指导委员会委员。曾留学加拿大UBC（1986-1988年），曾任材料科学与工程学院院长（2004-2014年）、新材料技术研究院院长（2008-2020年）。主要学术兼职：中国新材料产业技术创新战略联盟副理事长，中国金属学会常务理事兼粉末冶金分会主任委员，《粉末冶金技术》主编，《粉末冶金工业》副主编， Powder Metall , Acta Metall Sinica, Rare Metals, Metals 等10余杂志编委。2023年当选国际先进材料学会会士（IAAM Fellow)。
张百成 北京科技大学新材料技术研究院 教授 博士生导师
主要从事增材制造技术的研究工作，主持过国家自然基金，国家省部级等项目；以第一/通讯作者在Acta Mater.、Scripta Mater.、Metall. Mater. Trans. A/B等行业领域期刊发表论文50余篇，引用4000余次，H因子29，3篇论文入选ESI高被引。授权中国发明专利10余项，在国内外重要学术会议作邀请报告10余次；连续梯度增材制造技术制造系统发明人，该增材制造系统于2019年获得金属加工行业荣格技术创新奖；2024年第49届日内瓦国际发明展金奖；2024年机械工业科学技术奖（技术发明）二等奖；2023年中国有色金属工业科学技术奖（发明）二等奖；担任SCI期刊Materials Today Communications编委，Metal编委，International Journal of Minerals, Metallurgy and Materials（IJMMM）青年编委，《粉末冶金技术》编委；现任中国金属学会粉末冶金分会副秘书长，全国高校黄大年式教师团队骨干成员。
06 引用本文
Jin’e Sun, Punit Kumar, Pei Wang, Upadrasta Ramamurty, Xuanhui Qu, Baicheng Zhang, Effect of columnar-to-equiaxed microstructural transition on the fatigue performance of a laser powder bed fused high-strength Al alloy, J. Mater. Sci. Technol. 227 (2025) 276-288.
来源
材料科学和技术 l
突破增材制造铝合金疲劳性能瓶颈！北京科技大学曲选辉教授、张百成教授研究团队首创”双晶协同”策略登顶行业新高
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