铝合金因其高强度重量比和经济实惠被广泛应用于交通运输领域。然而在极高强度与高温应用场景中，尤其是在内燃机活塞、喷气发动机风扇叶片和真空泵等部件中使用铝合金时仍面临挑战。

图片来源：Carnegie Mellon University

在高温环境下，很少有铝合金能有效阻止位错运动（决定材料强度的关键因素）。更重要的是，现有设计鲜少考虑成本与可持续性指标，而这对高需求产业至关重要。常用于风扇叶片的钛合金（如Ti-64）不仅更重且不可机械加工，而且价格几乎是铝合金的两倍。

增材制造技术（AM）的快速发展为创新合金设计开辟了新途径。据外媒报道，卡内基梅隆大学（Carnegie Mellon University）与麻省理工学院（MIT）的研究团队近期通过计算仿真与优化技术，开发出兼顾强度与成本的新型铝合金系统。相关研究成果发表于期刊《Mechanics and Physics of Solids》。

该研究提出了一种Al-Ni-Er-Zr（铝-镍-铒-锆-钇）合金，通过成本/强度权衡设计可达到基准可打印铝合金95%的强度，同时实现15%的净成本节约。基于相同框架，研究人员还开发了另一种常温设计合金，在保持基准强度的同时实现了80%的成本节约。

“这些铝合金的开发有望对汽车行业产生重大影响，因为市场对兼具可持续性与低成本的高性能合金需求旺盛。”参与研究的助理教授Mohadeseh Taheri-Mousavi表示，现任博士生Benjamin Glaser也参与了研究。

研究人员利用基于高通量计算相图（CALPHAD）的集成计算材料工程（ICME）仿真与机器学习技术，快速探索了成分-工艺-结构-性能之间的关系，成功开发出超越基准性能的合金。基于激光的增材制造具有更高的冷却速度，可使铝合金快速凝固，并形成独特的微观结构特征。该研究利用了仅存在于快速凝固过程中的亚稳相来提升材料强度。