[启明增材制造]红外激光增材制造高强度7×××铝合金面临吸收率低、易开裂和析出强化不足的问题。本文提出将绿光激光定向能量沉积（DED）与纳米TiC复合AA7075粉末结合的新策略。绿光激光对于高反材料，可在低40%–45%的激光功率下实现高质量沉积，并能稳定熔池、降低热梯度和元素蒸发，使晶粒更均匀、位错密度更低。热处理后形成超高密度纳米η‘析出相和GP区，屈服强度约600 MPa，高于锻态AA7075及迄今几乎全部DED加工的铝合金。该工作为短波长激光增材制造高反射、热裂敏感合金提供了材料-工艺一体化方案。
近日，苏州大学谭超林教授团队联合新加坡科技研究局等单位，在国际知名期刊《Nature Communications》发表题为“Ultrahigh strength aluminum alloy by green laser additive manufacturing”的研究论文，苏州大学刘天舒助理教授为论文第一作者，谭超林教授为论文唯一通讯作者，苏州大学为论文第一单位和唯一通讯单位。
图 1. 绿激光定向能量沉积工艺示意图及TiC/AA7075铝合金力学性能。(a) 绿激光DED系统与过程监测装置；(b) TiC/AA7075复合粉末形貌；(c) 各波长激光下粉末的室温反射率；(d) 不同激光条件下T73热处理样品的拉伸应力–应变曲线；(e) 与其他激光DED及锻造铝合金的屈服强度和延伸率对比。
红外激光原位监测显示，红外激光下的熔池不稳定，产生大量高温飞溅，且伴随剧烈的等离子体形成。红外测温显示其峰值温度高达2697℃，导致Zn和Mg的大量烧损，且极易吸入环境中的氧和水分。而绿激光CFD模拟与原位监测表明，绿激光熔池流速更平稳，飞溅极少。峰值温度骤降至1657℃，光谱分析证实Zn、Mg等元素的蒸发被有效抑制（Zn流失减少30%，Mg流失减少77%，氧含量降至100 ppm。
图2. 红外与绿激光定向能量沉积熔池动态行为及温度场对比。(a、b) 高速摄像图像；(c、d) 熔池流场模拟；(e、f) 熔池红外热成像；(g、h) 熔池最高温度及平均温度变化；(i、j) 熔池温度场分布模拟结果；(k、l) 温度梯度分布模拟结果；(m、n) 沿熔池运动方向的温度及温度梯度变化；(o、p) 光谱仪监测元素挥发结果。
在红外激光下，纯AA7075仍呈现粗大的柱状晶，且由于极大的温度梯度，产生了较高的位错密度，引入TiC后，由于TiC与Al的晶格错配度低（6.42%~8.05%），有效促进了异质形核。绿激光与TiC的配合，使得材料呈现出完全等轴晶，晶粒尺寸均匀（约5.7 μm），且位错密度显著降低，有效缓解了残余应力。
图3. 红外与绿激光定向能量沉积制备TiC/AA7075复合材料的微观组织表征。(a-d) EBSD反极图及极图；(e) 晶粒尺寸统计；(f) 晶界取向差分布；(g–i) GND密度分布及统计；(j) 绿激光样品中TiC颗粒的分布特征；(k、l) 两种工艺下TiC颗粒临界吞噬速度与颗粒半径的关系。
核心机理：GP区与η ′ 双相析出动力学
绿激光较低的冷却速率使得Zn、Mg溶质保留在基体中，并在晶界产生适度偏析。经过T73热处理后：红外样品：析出相粗大且稀疏（平均尺寸6.9 nm），无析出带（PFZ）宽达82 nm。绿激光样品：形成了超高密度的纳米η‘相（平均尺寸4.3 nm 以及丰富的GP区。PFZ宽度缩减至32 nm。
原子探针（APT）揭秘红外样品的 η‘/GP区体积比约为26:1，大部分析出相已成熟长大；而绿激光样品的比例降至3:1，大量Zn/Mg原子形成了富含溶质的GPII区，并与细小的η‘相共存。这种双相结构产生了极强的共格应变场。
图 4 红外与绿激光定向能量沉积制备TiC/AA7075复合材料的元素偏析及同步辐射分析。(a–f) 两种工艺样品的SEM图像、EDS元素分布及成分线扫描；(g) 同步辐射实验装置；(h、i) 二维德拜环；(j) 积分衍射谱及物相标定；(k) 基于修正Williamson–Hall方法计算的位错密度。
图5 T73热处理后红外激光与绿激光定向能量沉积制备TiC/AA7075复合材料T73态的纳米析出相表征。(a–h) 红外激光样品的TEM、EDS、HRTEM、析出相尺寸统计、FFT及晶格应变分析；(i–p) 绿激光样品的TEM、EDS、HRTEM、析出相尺寸统计、FFT及晶格应变分析；(q) 双级时效过程中的归一化析出驱动力；(r) η′相析出过程中溶质含量、残余空位与析出动力学关系示意图。
性能突破：超越锻件与同工艺力学性能
组织决定性能，绿激光制备的TiC/AA7075性能极为优异：宏观拉伸（T73态）：低速（LS）样品：屈服强度（YS）高达 591±22MPa，延伸率 2.9%。高速（HS）样品：屈服强度 543±1 MPa，延伸率 5.5±0.6%。相比之下，红外激光样品强度仅为345-411 MPa。绿激光在低功率下实现了32-71%的强度提升。不仅全面超越锻态AA7075，更是所有L-DED工艺制备铝合金中的最高纪录。
提取晶粒内部的微柱进行压缩测试，绿激光DED样品屈服强度达623 MPa，且呈现出均匀的屈曲变形，而红外DED样品则表现为明显的局部剪切带。这这说明丰富的GP区有效缓解了局部应力集中，提高了塑性变形能力。
图6 T73热处理后TiC/AA7075复合材料的APT表征及微柱压缩性能。(a–f) 红外激光和绿激光样品的三维元素分布、析出相界面成分及元素浓度曲线；(g) 微柱取样示意图；(h) 微柱压缩应力–应变曲线；(i、j) 两种样品压缩后的SEM图像。
总结与展望
图7 红外激光与绿激光定向能量沉积制备TiC/AA7075复合材料的组织演变机制。(a) 两种激光工艺下的能量吸收、熔池行为及元素蒸发对比；(b) TiC促进α-Al异质形核及温度梯度、凝固速率对晶粒生长和元素偏析的影响；(c) T73热处理后η′相与GP区的析出差异产生机制。
这不仅刷新了DED铝合金的强度上限，更为航空航天领域高反射、热裂纹敏感金属（如铜合金、其他高强铝合金）的增材制造提供了一条极具工业化潜力的新路径。
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-026-78822-0
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