長久以來，冶金學家將鐵與鋁的結合視為一種詛咒。即使是微量的鐵也可能使這種備受青睞的輕金屬變得脆弱，導致其結構強度下降及易於腐蝕。然而，日本名古屋大學的研究團隊在3D打印技術的幫助下，打破了這一傳統觀念。根據名古屋大學的新聞稿，研究人員開發出了一系列耐熱、可回收的金屬合金，專為汽車和航空航天應用而設計。
有趣的是，這項研究顯示鐵不再是污染物，而是增強合金強度和耐熱性的關鍵元素。研究團隊利用基於雷射的3D製造技術設計出一系列耐熱高強度的鋁合金，克服了鋁在高溫下強度下降的傳統局限性，其中一種變體在300°C（572華氏度）下仍然保持強度和柔韌性。
這項發展的核心在於一系列完全打破常規的鋁合金。在這些合金中，鐵與錳和鈦結合。名古屋大學工程學研究所的首席作者、教授高田直樹表示，冶金學家通常不會將鐵添加到鋁中，因為它會使金屬變得脆弱並易於腐蝕。
關鍵在於利用雷射粉末床熔融3D打印技術的極端冷卻速率，這一過程中金屬粉末逐層熔化。熔融金屬在幾秒鐘內凝固，這種驚人的速度至關重要。此外，快速冷卻能夠捕捉鐵和其他元素形成的結構（形成亞穩相），這些結構在正常製造條件下無法形成。這意味著通常導致脆弱的含鐵結構被防止形成，從而允許新的強化微觀或納米結構形成。
透過快速冷卻，研究團隊成功創造出非常強大且能抵抗高溫的新合金。研究人員開發了一種系統的方法來預測哪些元素能加強鋁，以及哪些元素能形成保護性的微觀和納米結構。值得注意的是，最佳結果來自於一種包含鋁、鐵、錳和鈦的合金（Al-Fe-Mn-Ti）。該合金不僅在室溫下達到高強度，還能在300°C的高溫下維持卓越的強度和靈活性。
這些結果透過電子顯微鏡進行確認，顯示出這是一個完整的解決方案。新材料依賴於低成本、豐富的元素，並旨在符合回收友好的設計，以應對能源密集型行業的可持續性問題。此外，這些合金的3D打印難度低於傳統的高強度鋁，後者在製作過程中常常會出現裂紋。
高田教授指出，我們的方法依賴於已建立的科學原理，關於元素在3D打印中快速固化時的行為，並且適用於其他金屬。這一技術突破將改變高溫應用，讓汽車引擎和飛機渦輪可以運行在更高的溫度和更長的時間。輕量化的車輛意味著更少的燃料消耗，並顯著降低排放。航空航天行業不斷需求能夠結合輕量和極端耐熱性材料，將會受益匪淺。
研究團隊相信，這項研究提供了一個新的設計手冊，為專門用於3D打印的金屬類別創建提供了一個框架。研究結果已於近日發表在《自然通訊》期刊上。
