在航空航天、汽车及轨道交通等先进制造领域，对耐热、高强、轻质材料的需求日益增长。铝合金因其优异的比强度与耐腐蚀性，成为不可或缺的结构材料。增材制造技术因其能够精确成形复杂几何构件的能力，在利用这些合金制造承力部件方面展现出巨大吸引力。然而，传统高强铝合金体系（如Al-Cu-Mg、Al-Zn-Mg-Cu）在AM过程中面临严峻挑战。AM固有的快速冷却速率和复杂热梯度导致热应力累积及宽凝固区间，极易引发热裂纹，并使微观结构与力学性能失稳。反之，具有良好可打印性的合金成分（如近共晶Al-Si合金或其改性体系），则在高温下强度迅速衰减。这种可打印性与耐热性之间的固有矛盾，严重限制了面向极端热环境应用的新型高性能铝合金的设计空间。
当前研究多集中于通过微合金化或引入陶瓷颗粒来改性现有高强铝合金体系，以期在快速凝固过程中诱导纳米析出相，促进异质形核、细化晶粒、改善性能并抑制热裂。尽管取得了一定成效，但仍面临稀土元素成本高昂、陶瓷颗粒引入导致的性能波动，以及无法从根本上拓展新型耐热可打印合金成分空间等问题。打破这一权衡需要全新的原位合金设计策略。轻质铝基熵合金（LAEAs）结合了铝的低密度与高熵效应，通过元素协同有望在室温及高温下实现增强的力学性能，逐渐成为轻质合金中极具前景的类别。然而，传统铸造LAEAs中因元素电负性及原子半径差异易形成微米级脆性金属间化合物，导致严重的强度-塑性倒置关系。将LAEAs应用于AM的研究尚属空白，其多组元成分设计高度复杂，依赖传统CALPHAD的方法效率低下且成本高昂。机器学习与高通量计算的发展使得数据驱动设计能够显著加速材料开发进程。特别是量子机器学习，作为量子计算与机器学习的新兴融合，在处理高维材料数据、捕捉材料性能与微观结构间的非线性关系方面展现出变革性潜力。福耀科技大学、北京科技大学和新加坡国立大学科研团队合作，针对上述挑战，成功将数据驱动设计与增材制造相结合，旨在高效设计并精确制造出兼具优异可打印性、超高强度、良好塑性及出色耐热性的新型LAEA，对于推动高性能轻质材料在极端环境下的应用具有重要学科价值与工程意义。
本研究针对增材制造（AM）高强铝合金在承载部件应用中面临的可打印性与高温强度难以兼得的根本性矛盾，提出了一种融合量子机器学习（QML）与高通量计算（HTC）的数据驱动设计策略。该策略成功筛选并优化出适用于选择性激光熔化（SLM）工艺的Al85Cu5Li4Mg3Zn3轻质铝基熵合金（LAEA）。通过SLM工艺，该合金将传统铸造中易脆的微米级金属间化合物转化为由纳米胞状共晶网络、准晶相及高密度纳米级面缺陷（层错、纳米孪晶界、9R相）构成的可变形多级纳米结构。该独特微观结构赋予打印态合金卓越的综合性能：室温压缩强度超过1000 MPa并兼具约20%的塑性，在200°C下仍保持超过800 MPa的高温强度，其比强度（350 × 10^3 N·m/kg）可与钛合金相媲美。此外，通过热暴露触发的可控准晶-晶体相变，为制造后精确调控力学性能提供了额外机制。此项工作发表于《Advanced Science》期刊，DOI: 10.1002/advs.202522817，为结合先进计算材料设计与增材制造技术开发高性能轻质合金提供了创新范式。
方法与技术创新
本研究创新性地采用了量子机器学习与高通量计算相结合的数据驱动设计框架，系统性地筛选并优化了适用于选择性激光熔化工艺的铝基熵合金成分。研究以传统高强Al-Cu和Al-Zn-Mg-Cu合金成分为框架，引入Li以降低密度，将Al的原子分数维持在80%-90%，其他元素各至少占2%，以确保足够的固溶度，从而区别于低合金化铝合金。针对由Al、Li、Mg、Cu、Zn五种元素构成的1815种候选合金，研究首先利用基于量子-XGBoost混合模型的QML进行相结构（固溶体、固溶体+金属间化合物、非晶）三元分类预测。该模型利用量子优化的特征权重评估，能够更有效地揭示高维特征空间中的非线性相互作用，相比传统XGBoost模型，在固溶体与“固溶体+金属间化合物”的边界识别上更为敏锐，预测置信度更高，为成分筛选提供了更可靠的理论依据。所有候选合金均被预测为“固溶体+金属间化合物”类别。
在此基础上，研究通过高通量计算进行多维成分优化。首先进行密度筛选，设定理论密度阈值低于3.1 g/cm³，以确保打印后密度接近传统铝合金。随后，重点评估AM热条件下的热裂敏感性，计算表明热裂倾向同时依赖于Cu含量和晶粒尺寸。当Cu含量超过5 wt.%时，热裂风险显著降低，同时在晶粒细化与热裂抑制间取得平衡。凝固曲线分析进一步揭示，当Cu含量约为5 at.%时，可在凝固后期快速形成充足的共晶相，产生高强度“固态桥”，有效抑制枝晶根部的裂纹尖端应力及最终凝固阶段的应力累积，从而实现无裂纹打印。此外，通过调整Mg/Zn比例以促进热力学稳定的η-MgZn2相析出，并结合低熔点元素（Li、Mg、Zn）在SLM过程中的理论蒸发速率计算，最终在有限的成分空间内优选出了Al85Cu5Li4Mg3Zn3作为目标合金成分。该集成设计框架不仅精确定位了优选成分窗口，还通过设计正负验证合金，准确划定了物理加工边界，形成了完整的设计-验证闭环。
图1. 展示了用于Al85Cu5Li4Mg3Zn3 LAEA的数据驱动设计策略全貌。图A以示意图形式概括了量子机器学习与高通量计算相结合的筛选流程。图B显示了经过密度筛选后的元素含量分布。图C和D是关键的热裂敏感性分析，其中图C揭示了在不同Cu含量和晶粒尺寸下SLM快速冷却时的热裂倾向，图D则展示了相应条件下的凝固曲线，明确了共晶反应对抑制终端凝固收缩的作用。图E通过3D可视化呈现了SLM过程中低熔点元素的理论蒸发速率，为最终成分选择提供了防止成分偏析和烧损缺陷的依据。
主要发现与结果分析
采用优化后的工艺参数（激光功率220 W，层间旋转67°及岛状扫描策略）成功打印出了Al85Cu5Li4Mg3Zn3 LAEA块体。微观结构表征表明，SLM工艺将铸态合金中的微米级粗大共晶相显著细化为纳米尺度的胞状共晶网络，并在基体中引入了高密度的纳米级面缺陷（层错、纳米孪晶、9R相）以及θ-Al2Cu、η-MgZn2、准晶T2-Al6CuLi3等多种纳米析出相。原子探针断层扫描分析进一步证实了共晶相内Cu、Li、Mg元素的富集以及基体中平行排列的η′/η相和颗粒状T2相的存在。这种多级纳米结构的形成，源于SLM极端非平衡凝固条件与低层错能溶质元素的协同作用。
图2. 表征了打印态合金的成形性与取向。图A的宏观及光学显微镜图像显示了致密的熔池和扫描路径，证明了优异的可打印性。图B的真密度测试结果约为2.95 g/cm³，达到了轻量化设计目标。图C的µ-CT分析对比了本合金与传统Al-Cu-Mg合金的内部缺陷，定量表明本合金孔隙率极低（0.01%），且缺陷多为球形气孔，而非热裂纹。图D的EBSD三维反极图显示了罕见的近等轴晶形态。图E将本合金的最大多重均匀分布值及平均晶粒尺寸与已发表的传统及改性铝合金进行对比，突出了其在各向同性和晶粒细化方面的优势。图F的枝晶生长模拟揭示了熔池内溶质在枝晶根部和晶界的富集，以及从快速柱状生长向细等轴生长的转变过程。
图3. 通过透射电子显微镜详细表征了打印态合金的微观结构。图A的明场像及EDS面分布图显示了Mg/Cu/Zn富集的纳米胞状共晶网络及基体中的非共格纳米析出相。图B和C的高分辨像及FFT谱分别确认了θ-Al2Cu和η-MgZn2相。图D结合HAADF-STEM和HRTEM揭示了在[211]Al晶带轴下半共格η′相的存在。图E确认了准晶T2-Al6CuLi3相。图F和G则重点展示了SLM引入的纳米级面缺陷，包括层错以及由非共格孪晶界分解形成的、被层错装饰的9R相及其周围的共格孪晶界，这些缺陷对强化和应变硬化有重要贡献。
图4. 利用原子探针断层扫描技术对纳米共晶相及基体进行了原子尺度的成分分析。图A的三维原子重构图直观显示了元素的异质分布。图B沿感兴趣圆柱体的一维浓度剖面，结合20 at.% Cu的等值面，清晰揭示了η/θ和θ/基体之间的相界。图C通过9 at.% Zn和13.5 at.% Mg-Zn等值面证实了共晶顶部分MgZn2相，且该相在基体中平行排列。图D和E则分别通过对Cu富集区和基体中颗粒的一维浓度分析，结合等值面，确认了θ-Al2Cu相和T2-Al6CuLi3相的存在。
该独特的微观结构赋予了材料卓越的力学性能。打印态合金表现出超强的室温压缩性能，压缩强度超过1000 MPa，屈服强度约534 MPa，同时压缩塑性达到约20%，成功解决了铸态LAEA中严重的强度-塑性倒置问题。加载-卸载-再加载曲线显示明显的滞后环，表明存在显著的异质变形诱导强化，其HDI应力在非均匀塑性变形阶段可累积超过400 MPa，贡献了可观的加工硬化。尽管其拉伸塑性（约2.3%）与压缩塑性存在明显不对称性，但µ-CT分析证实这源于互连硬质骨架固有的本征特性，而非打印缺陷。更引人注目的是其出色的高温性能：在200°C下压缩测试时无断裂发生（终止于40%应变），且在此温度下仍保持超过800 MPa的压缩强度，屈服强度为507 MPa，屈服强度保留率高达95%，显著优于已报道的各类铝合金。与已发表的Al-Si、Al-Cu、Al-Zn-Mg-Cu系列合金及铝基复合材料相比，本合金在强度-塑性协同方面实现了突破。
图5. 系统展示了打印态及热暴露后合金在压缩测试中的宏观力学性能。图A对比了打印态合金在室温及高温（100-400°C）下的压缩工程应力-应变曲线，以及不同温度热暴露后合金在室温下的压缩曲线，突出了其超强强度、良好塑性及优异的高温性能。图B的加载-卸载-再加载曲线显示了明显的滞后环。图C对应地给出了不同真应变下的HDI应力演化，表明其显著的异质变形强化贡献。图D将本合金的压缩性能与已报道的各类铝合金及铝基复合材料进行对比，显示了其GPa级强度结合良好塑性的突破。图E的比强度-密度图表明，其比强度超越大多数铝合金，甚至可与部分钛合金和传统轻质高熵合金相媲美。图F和G则重点对比了其高温屈服强度及在200°C下的强度保留率，证明了其卓越的耐热性。
机理分析表明，优异的可打印性源于高Cu含量（~11 wt.%）带来的高生长限制因子（Q值=58.5 K），促进了柱状晶向等轴晶转变，以及终端凝固阶段共晶反应缩短了温度区间，从而抑制了热裂倾向。室温下的超高强度与塑性源于多级强化机制的协同：连续的纳米胞状共晶网络作为主要承载骨架；高熵溶质效应抑制位错交滑移，促进平面滑移；高密度层错、Lomer-Cottrell锁以及9R相作为有效的位错障碍；软（基体）-硬（共晶/析出相）界面产生的HDI应力协调异质变形。在高温（如200°C）下，热激活促进了位错的交滑移和攀移，引发动态回复，将连续共晶骨架剪切为碎片化的层链结构。这些链状结构承担主要应变梯度，诱导HDI应力，同时准晶相在高温下表现出准塑性协调能力，与基体共同承担变形，从而在保持高强度的同时实现大塑性变形。此外，研究还发现通过热暴露（如400°C/100 h）可以触发可控的准晶T2相向晶体R相（Al5CuLi3）的转变。转变后的R相不仅提供HDI强化，其自身还能在变形时激活高密度的交叉或阶梯状层错，作为一种内禀的应变协调系统，从而在热暴露后进一步提升合金的强度与塑性（如TE400合金压缩强度~921 MPa，塑性~34%）。
图6. 从多尺度表征了打印态合金在室温压缩下的变形行为。图A的宏观断口形貌及SEM显微图显示了阶梯状开裂和扭曲的变形特征，而非脆性解理。图B的PED分析量化了纳米共晶网络界面处的几何必需位错积累。图C的TEM明场像显示了完整的晶界和向晶界扩展的微裂纹，揭示了共晶网络协调变形和微裂纹松弛局部应力的机制。图D-F的HRTEM及几何相位分析详细展示了η共晶相裂纹处的应变梯度、θ析出相内丰富的变形带和晶体旋转，以及准晶T2相界面和内部的应变分布，证明了这些硬质相本身具备一定的变形能力。图G则观察到基体中存在层错、L-C锁、扭曲的T2和9R相，揭示了复杂的缺陷相互作用。
图7. 分析了打印态合金在不同温度压缩后的EBSD和TEM形貌，揭示了变形机制随温度的转变。图A的GND图显示了从低温下位错在晶内及共晶相周围大量累积，到高温下因动态回复/再结晶而重新分布的过程。图B的BF像对应展示了不同温度下共晶相和位错形态的演变。图C的HRTEM图像显示了基体在不同温度压缩后的结构变化。图D和E则重点展示了200°C和300°C压缩后9R相的HRTEM图像及GPA应变图，表明9R相在高温下仍能保持并参与协调应变。
图8. 通过多尺度原位力学测试研究了合金在200°C高温压缩下的行为。图A的DIC二维应变分布图揭示了变形初期应变局部化带的形成与演化。图B对比了从等轴晶区和热影响区提取的微柱体的压缩应力-应变曲线，显示了两者不同的硬化/软化行为。图C的实时形貌演化截图显示了剪切带的出现。图D给出了两个微柱体对应的HDI应力演化。图E-J的HADDF-STEM、TKD、DF-STEM、弱束明场像及HRTEM结合GPA分析，从纳米尺度揭示了高温下位错在硬质相界面的塞积、基体中层错和L-C锁的形成，以及准晶相与基体界面间的应变传递，阐明了其高温复合变形机制。
参考与索引
Wang, E., Ding, C., Zhou, D., Xu, C., Sing, S. L., Jiang, J., & Wu, H. (2026). Data-Driven Design and Fabrication of Heat-Resistant, Ultrastrong, Lightweight Aluminum-Based Entropy Alloy by Additive Manufacturing. Advanced Science, 0, e22817. https://doi.org/10.1002/advs.202522817
