呂堅院士&李瑞迪教授最新綜述：耐熱鋁合金設計與高溫性能調控研究進展

第一作者：夏熙珍

共同通訊作者：呂堅院士，李瑞迪教授

共同通訊單位：香港城市大學，中南大學

原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.mser.2026.101266

鋁合金因具有低密度、高比強度、良好的耐腐蝕性能和優異加工性能，被廣泛應用于航空航天、交通運輸、能源裝備等領域。然而，隨著航空發動機、新能源裝備以及高功率動力系統不斷向高速度、高功率密度方向發展，傳統鋁合金在 200–400 ℃中高溫環境下的強度保持能力、蠕變抗力以及組織穩定性逐漸成為限制其進一步應用的關鍵瓶頸。新工藝、新成分和新機理成為耐熱鋁合金的研究熱點。

鑒于此，香港城市大學呂堅教授團隊和中南大學粉末冶金國家重點實驗室李瑞迪教授團隊對耐熱鋁合金近年來在合金設計、先進制造、熱穩定機制以及未來設計方向進行了系統總結，該工作以“Advances in the development of heat-resistant aluminum alloys: Composition design, high-temperature performance and stabilization mechanisms”為題發表在《Materials Science and Engineering: R: Reports 》上，系統梳理耐熱鋁合金現有研究體系，區分傳統鑄鍛平衡制備、快速凝固 / 增材制造非平衡制備兩大技術路徑，梳理各類合金體系、高溫穩定強化相、微觀調控機制，同時總結現有性能邊界、現存難點與數據驅動設計新思路。

圖1全文綜述思路總覽圖

一、耐熱鋁合金核心設計邏輯

區別于室溫高強鋁合金，耐熱鋁的設計核心不在于單純提升初始強度，而是構建高溫下長期穩定的微觀阻礙單元，依靠各類第二相釘扎位錯、限制晶界遷移，抑制蠕變變形。團隊將主流高溫強化相分為三類：

1.納米析出相：作為鋁合金最核心的強化單元，納米析出相可細分為三類，一是半共格納米析出相（θ′、Ω、β″等），是Al-Cu、Al-Mg 系主流強化相，中溫區間強化效果優異，但溫度升高后易發生粗化失穩，高溫長效性能不足；二是L1?型有序析出相（Al?(Sc,Zr)，Al3Ti等）：憑借極低的界面能與緩慢的溶質擴散速率實現合金高溫強度支撐；三是非共格納米析出相（Al13Fe4, θ-Al2Cu等），雖熱穩定性有限，但細小彌散分布時仍可提供一定強度支撐作用。

圖2鋁合金常見半共格耐熱強化相

圖3耐熱鋁合金中的 L1?有序相

圖4耐熱鋁合金中常見非共格析出相

2.陶瓷彌散相，以TiB?、TiC等為代表的高熔點陶瓷顆粒，具備熱穩定性高、擴散速率極低的特點，可在超高溫工況下穩定存在。通過彌散分布于鋁基體中，有效釘扎晶界、抑制再結晶與高溫蠕變，大幅拓寬合金的高溫服役溫度區間，適配嚴苛的超高溫服役環境。

圖5耐熱鋁合金常見陶瓷強化相

3.共晶骨架結構，由Al??Ce?、Al?Ni等高熔點金屬間化合物構成連續網狀共晶骨架，可在高溫下形成穩固的微觀承載結構。該結構能夠從整體上約束基體變形、阻礙組織粗化，為合金高溫力學性能、抗蠕變性能提供核心支撐。

圖6耐熱鋁合金常見共晶結構

二、兩大制備路線：平衡凝固vs非平衡凝固

團隊系統梳理了耐熱鋁合金現有研究體系，根據不同制備工藝區分了傳統鑄鍛平衡制備、快速凝固 / 增材非平衡制備兩類耐熱鋁合金，對每一類合金體系開展系統綜述，并匯總整理了各類材料的高溫性能數據。

1.傳統鑄造、變形耐熱鋁合金（平衡工藝）：包含 Al-Si、Al-Cu、Al-Mg 等體系，工藝成熟、量產成本可控。Al-Si 合金：鑄造流動性優異，通過 Ni、Mn、稀土復合合金化改善 300℃強度；Al-Cu 合金：中高溫強度優勢突出，依托 θ′、Ω 相強化，添加 Mn、Zr、Ag 等元素調控界面，延緩析出相粗化；Al-Mg 合金：耐蝕、輕量化優勢顯著，但高溫組織穩定性偏弱。受平衡固溶度限制，傳統鑄造/變形耐熱鋁合金凝固速度慢，易生成粗大第二相，長期高溫服役穩定性不足。

2.快速凝固與增材制造合金（非平衡工藝）：增材制造、噴射沉積、氣霧化等工藝依靠超高冷卻速率，可突破傳統合金成分局限，獲得過飽和固溶體。除傳統的Al-Si，Al-Cu，Al-Mg三類合金改性外，還衍生了兩類專用耐熱鋁體系，一類是Al-TM（過渡金屬）系，以低擴散速率的Cr，Mn，Fe，Ni等元素為主要微合金化元素，原位生成高穩定納米金屬間彌散相，400℃仍保有可用強度；另一類則是Al-Ce 稀土共晶合金：Al??Ce?相擴散速率極低，抗粗化、抗蠕變性能優異，打印熱裂紋敏感性低，適配高溫復雜拓撲結構件。

圖7不同制備工藝耐熱鋁合金抗拉強度對比

圖8不同制備工藝耐熱鋁合金蠕變性能對比

圖9不同制備工藝耐熱鋁合金強度-導熱協同性能對比

團隊匯總大量文獻室高溫拉伸、蠕變、導熱數據，結合各類合金性能統計結果，從制備工藝、合金體系等多個維度對鋁合金高溫性能表現進行橫向對比。對比結果表明，快速凝固、增材制造等先進制備手段，能夠有效拓寬耐熱鋁合金的適用溫度區間，提升材料性能極限。其中新型增材 Al-Ce、Al-TM 合金優勢突出，300℃環境下抗拉強度普遍超過 200 MPa，部分材料在 400℃高溫下依舊可穩定承載。

圖10典型耐熱鋁合金體系抗拉強度 - 溫度變化關系圖譜

圖11不同體系耐熱鋁合金 300℃極限抗拉強度對比及通用高溫穩定化手段

三、跨尺度高溫穩定機制

團隊綜述整合了大量文獻數據，歸納總結出耐熱鋁合金跨尺度多維度協同高溫穩定機制，為后續耐熱鋁合金成分設計與組織調控提供統一理論依據：

1）原子尺度界面調控：Sc、Zr、Mn、Ag 等溶質在析出相界面偏析，降低界面能，減緩奧斯特瓦爾德熟化；

2）納米尺度多級析出協同：L1?相與傳統亞穩析出相共存，多相協同提升熱穩定性；

3）微觀尺度晶界釘扎：連續共晶網絡、陶瓷顆粒抑制高溫晶界遷移與再結晶。

圖12跨尺度熱穩定性提升機理示意圖

四、耐熱鋁合金設計準則

盡管進展顯著，目前耐熱鋁合金仍面臨以下挑戰：1）各類合金的高溫承載能力與可用溫度范圍仍需進一步拓展；2）高溫強度、導熱性能、成型性能、生產成本無法同步兼顧，多性能協同設計面臨明顯約束；3）相關試驗數據以短期實驗室表征為主，缺少實際服役條件下的長效性能考核支撐。

對此，本文提出系統化的耐熱鋁合金設計準則，以構件實際高溫服役性能需求為核心導向，優先篩選適配工況溫度、載荷要求的基體合金體系；在此基礎上通過主元素配比優化、微量合金元素復合添加完成多尺度微觀組織調控，同步兼顧材料成形特性與高溫長效穩定性，最終搭建起成分調控與制備工藝相互匹配、協同優化的一體化完整設計準則，為新型耐熱鋁合金的定向開發提供清晰可行的理論指導。

圖13耐熱鋁合金成分設計思路總結

五、未來發展方向

面向行業現存技術難題，耐熱鋁合金后續研究應圍繞多維度同步推進。整體存在兩大核心研發路線，一是開發新型合金成分，引入稀土、過渡金屬等特色合金元素；二是升級制備工藝，結合快速凝固、增材制造等先進成型技術，二者結合可開發綜合性能更優異的鋁合金材料。隨著合金成分逐步復雜化，行業亟需建立完善統一的高溫性能評判標準與標準化設計規范，而機器學習賦能的數據驅動合金設計手段，能夠有效提升成分篩選效率，大幅減少傳統試錯實驗帶來的時間與經濟成本。在材料性能研究層面，未來研究不再局限短期高溫拉伸、室溫強度測試，將重點攻關極端服役環境下具備長效高溫強度、組織穩定性的合金，同步提升合金抗氧化、抗高溫腐蝕與熱疲勞性能；同時深挖耐熱行為底層基礎機理，厘清合金元素相互作用、析出相與基體界面關系以及工藝對微觀組織演變的影響規律，還需搭建貼合真實工況的標準化長效性能評價體系，重點考核蠕變、熱疲勞、高溫熱暴露后力學性能與導熱系數等關鍵指標。在成形工藝層面，融合增材制造與傳統合金化工藝，兼顧復雜構件成型能力與材料高溫性能，也是支撐高端裝備發展的重要研究方向。而在合金應用層面，耐熱鋁合金是航空、汽車、能源電子領域輕量化高溫承載部件的關鍵材料，可用于內燃機活塞、航空高溫承載結構、換熱器件等零部件，依托增材制造技術還可制備帶一體化冷卻通道、拓撲優化的復雜輕量化構件；但材料大范圍落地應用仍需完成真實服役工況下長效強度、抗蠕變、熱疲勞、缺陷耐受能力等多維度系統驗證。

【作者簡介】

呂堅（通訊作者）

法國國家技術科學院（NATF）院士、美國國家發明家科學院院士、香港工程院院士、香港材料研究會理事長（HKMRS）、香港城市大學機械工程系講座教授、工學院院長、國家貴金屬材料工程研究中心香港分中心主任、先進結構材料中心主任。研究方向涉及先進結構與功能納米材料的制備和力學性能，結構與功能材料的設計及增材制造，圖靈及高熵合金催化劑在電解水制綠氫及燃料電池與污水處理，超高靈敏度表面增強拉曼光譜（SERS）及在心腦血管疾病早期快速診斷，環保，食品安全等領域的應用。中科院首批海外評審專家，中科院沈陽金屬所客座首席研究員，西安交通大學、東北大學、北京科技大學、南昌大學名譽教授，西北工業大學、上海交通大學和西南交通大學顧問教授，中科院知名學者團隊成員，2011年被法國國家技術科學院（NATF）選為院士，是該院近300位院士中首位華裔院士。2006年與2017年分別獲法國總統任命獲法國國家榮譽騎士勛章及法國國家榮譽軍團騎士勛章，2018年獲中國工程院光華工程科技獎。已取得84項歐、美（50項）、中發明專利授權，在本領域頂尖雜志Nature（封面文章）、Science、Nature Materials、Nature Chemistry、Nature Water、Science Advances、Nature Communications、Materials Today、Advanced Materials、Advanced Functional Materials、JACS、Angew. Chem.、JMPS、Acta Materialia等專業雜志上發表論文580余篇，引用五萬余次。

教師主頁：https://www.cityu.edu.hk/mne/people/academic-staff/prof-lu-jian

李瑞迪（通訊作者）

中南大學教授/博導，教育部高層次人才計劃特聘教授，“十四五”國家重點研發計劃首席科學家。2013年至今，在中南大學粉末冶金研究院從事教學與科研工作。主要從事金屬增材制造材料開發與成形技術研究。主持“十四五”國家重點研發計劃項目、國家自然科學基金(聯合基金重點、面上、青年)等國家級科研項目。第一/通訊在Nature Communications, Advanced Materials, Acta Materialia, International Journal of Machine Tools and Manufacture, International Journal of Plasticity, Additive Manufacturing, Journal of Materials Science and Technology等期刊發表SCI論文70余篇，獲授權發明專利20件。研究成果獲中國有色金屬工業科學技術一等獎、湖南省自然科學二等獎、NFSOC高等教育教學成果一等獎、鼎新青年科學家獎(IJMMM)。

教師主頁：https://faculty.csu.edu.cn/liruidi/zh_CN/index.htm

本文來自“材料科學與工程”公眾號，感謝論文作者團隊支持。

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