斯科尔科沃理工学院（隶属于 VEB.RF 集团）联合俄罗斯和印度多家科研机构，对铝青铜在激光粉末床熔融（PBF-LB）增材制造中的工艺进行了系统研究。该合金适用于在高热负荷下工作、同时要求高效散热的零部件，例如热交换器、电站冷却组件以及电力电子设备外壳等。
研究成果发表在期刊《材料表征》（Materials Characterization）上。团队展示了如何利用激光粉末床熔融技术制造形状复杂的铝青铜零件，使其强度和热导率达到甚至在部分指标上超过传统铸造件的水平，为相关工业应用提供了新的制造路径。
铝青铜增材制造的难点
研究对象为铝青铜合金 Cu-9.5Al-1Fe。与钢和钛相比，该材料具有更高的热导率，同时又比纯铜更适合采用增材制造工艺。然而，在 3D 打印铜基合金时存在两大根本挑战：材料对激光的高反射率，以及极快的热传导速度。
这两点会促使缺陷生成，主要表现为两类孔隙：一类是未熔合孔隙，即粉末颗粒未完全熔化而形成的空洞；另一类是“钥孔”孔隙，由于熔池中出现深而不稳定的蒸汽凹坑，在凝固过程中留下空腔。
工艺参数的优化与缺陷控制
在实验中，科研人员系统调整了激光功率（90–150 瓦）和扫描速度（100–600 毫米/秒），从而使体能量密度在 125 至 938 焦耳/立方毫米之间变化。结果表明：
- 在较低能量密度下，未熔合孔隙占主导；
- 在较高能量密度下，典型深穿透、熔池不稳定模式下的钥孔孔隙增多；
- 在所有测试条件下，总体孔隙率约维持在 5% 左右。
尽管样品中仍存在一定残余孔隙，其力学性能却超过了铸造铝青铜。实验获得的极限抗拉强度最高达 748 兆帕，伸长率最高可达 16.2%，已接近传统用于重载工况的镍铝青铜（Ni-Al-Bronze）的性能水平。
显微结构与相变行为
材料中心副教授、论文合著者斯坦尼斯拉夫·叶夫拉辛指出：“我们证明，即便使用激光功率受限的设备，也能获得接近工业镍铝青铜的机械性能。关键不只是简单提高能量输入，而是要理解不同缺陷类型之间的转化机制。这样在选择打印参数阶段，就可以更有把握地预测材料性能。”
研究团队特别关注相组成的变化。激光熔化固有的超快速凝固过程，会在铝青铜中形成偏离平衡组织的相结构，例如出现 Al₂Cu 夹层以及 Cu₃Fe 纳米颗粒。
结果显示，随着能量密度提高，那些主要决定材料硬度和强度的相比例会下降，但这同时会对电导率和热导率产生不利影响。这些结构和相的形成与高达 10⁷ K/s 的冷却速率密切相关，并直接影响强度、塑性与热性能之间的权衡关系。
结构、导电性与综合性能的关系
论文第一作者、斯科尔科沃理工学院数学与力学专业博士生阿纳斯塔西娅·菲利波娃表示：“通过多种显微技术对显微结构进行分析，并结合物理力学性能测试，我们建立了位错密度、热导率和电导率之间的直接联系。”
她补充道：“结果表明，随着能量输入增加，材料中的位错密度降低，同时铝在组织中的分布发生重新调整。这一过程使热导率得到提升，而机械性能并未出现明显下降。孔隙率对整体性能的影响相对较小。”
研究中对热导率的测量覆盖了 5 至 575 开尔文的宽温度区间，并采用了两种独立方法：PPMS 测试系统和激光闪光分析。
作者指出，在高能量密度条件下制备的样品，其室温热导率可达 47 瓦/(米·开尔文)，与铸造材料相当，但其强度却显著更高。这表明，通过合理调控 PBF-LB 工艺参数，可以在保持优良导热性能的同时，大幅提升铝青铜零件的力学性能，为高热负荷应用场景提供更具竞争力的增材制造方案。
