極限疲勞高達260MPa（R=0.1）， 上海交大制備出高抗疲勞3D打印鋁合金

導讀：3D打印技術(shù)可以快速制備幾何形狀復雜的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)件，然而打印過程中帶來的打印缺陷會極大程度降低3D打印材料的疲勞強度，成為限制其應用的最大瓶頸。如何提升3D打印金屬材料的疲勞強度是學術(shù)界和工業(yè)界長期以來關注的熱點和難點問題。

2023年8月21日，南極熊獲悉，上海交通大學材料科學與工程學院王浩偉教授團隊在抗疲勞3D打印鋁合金方向取得重要突破，相關成果在國際著名學術(shù)期刊《Nature Materials》發(fā)表題為 “Achieving Ultrahigh Fatigue-Resistant AlSi10Mg Alloys by Additive Manufacturing” 的論文，該工作與香港城市大學呂堅院士團隊合作完成。

研究團隊通過優(yōu)化材料成分和打印工藝，制備出具有超高疲勞強度的TiB2改性AlSi10Mg合金，其疲勞極限高達260MPa （R=0.1）, 是其他3D打印鋁合金的兩倍，并超過了傳統(tǒng)鍛造鋁合金，該團隊制備的高抗疲勞3D打印鋁合金已成功應用于航空器關鍵部件，并通過整體壽命實驗。

該研究論文以上海交通大學為第一完成單位，上海交通大學材料科學與工程學院博士后但承益、助理教授崔宇馳、副教授吳一和陳哲教授為共同第一作者，上海交通大學陳哲教授和香港城市大學呂堅院士為共同通訊作者。該工作為上海交通大學在2017年研發(fā)的高強韌增材制造TiB2改性AlSi10Mg合金（Acta Materialia 129, 2017,183-193）工作基礎上再次取得突破。

據(jù)統(tǒng)計，超過80%工程結(jié)構(gòu)部件的失效源于材料疲勞，這使得材料的疲勞成為困擾工程界近兩個世紀的難題。3D打印技術(shù)可以快速制備幾何形狀復雜的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)件，然而打印過程中帶來的打印缺陷會極大程度降低3D打印材料的疲勞強度，成為限制其應用的最大瓶頸。如何提升3D打印金屬材料的疲勞強度是學術(shù)界和工業(yè)界長期以來關注的熱點和難點問題。

圖1、高抗疲勞3D打印AlSi10Mg合金：（A）優(yōu)化后3D打印AlSi10Mg合金疲勞強度為其他3D打印鋁合金的兩倍，（B）同時超過了傳統(tǒng)高強鋁合金；（C）3D打印AlSi10Mg合金的跨尺度疲勞性能驗證；（D）3D打印AlSi10Mg合金的跨尺度結(jié)構(gòu)設計與優(yōu)化

研究團隊的陳哲教授、但承益博士后等人以3D打印AlSi10Mg合金為研究對象，開展了從微觀到宏觀的跨尺度結(jié)構(gòu)成分優(yōu)化和疲勞性能表征工作。該研究工作首次提出3D打印過程中，由于快速凝固而形成的微納共晶雙相三維網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)可有效抑制疲勞裂紋的萌生。研究團隊通過FIB加工制備不含打印缺陷的微米級疲勞樣品，基于納米壓痕儀開展掃描電鏡內(nèi)的原位疲勞實驗，結(jié)果表明3D打印AlSi10Mg合金中的微納共晶網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)可以有效限制位錯運動，抑制疲勞損傷累積和疲勞裂紋的萌生，其微米級樣品的疲勞極限高達抗拉強度的80%（470 MPa）以上。

基于此原理，該研究小組通過在AlSi10Mg合金粉末中引入TiB2形核顆粒，大幅降低材料的打印缺陷，成功制備出超高疲勞強度的TiB2改性AlSi10Mg合金，其宏觀樣品的疲勞極限可高達260MPa，接近抗拉強度的一半，是其他3D打印鋁合金的兩倍。研究團隊對通過疲勞極限后的樣品進行了-CT掃描和TEM表征，其微納共晶網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)保存完整，沒有明顯的疲勞裂紋萌生，進一步證實微納共晶雙相三維網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)具有超高抗疲勞性能。

圖2、高抗疲勞亞微米共晶網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)：（A）通過疲勞極限測試的樣品內(nèi)未出現(xiàn)明顯裂紋；（B-C）通過 μ-CT 引導激光定位切削至近樣品表面的孔洞；（D-H）孔洞周圍的亞微米共晶網(wǎng)絡基本保持完整，位錯運動被限制在網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)內(nèi)部

該研究指出，通過技術(shù)革新將打印缺陷消除或控制在亞微米尺寸范圍內(nèi)，3D打印AlSi10Mg合金的抗疲勞性有望進一步增強。此外，這種由3D打印實現(xiàn)的抗疲勞損傷機制還可以擴展到其他抗疲勞雙/多相合金系統(tǒng)的設計以及其他3D打印制備技術(shù)。

特別感謝TESCAN中國和蔡司中國對本研究工作的技術(shù)支持以及上海浡原檢測有限公司提供的原位實驗支持。本研究獲得了國家自然科學基金 (51971137，52101043，52101179) 等項目的資助。

上海交通大學材料學院特種材料研究所，是金屬基復合材料國家重點實驗室的重要組成部分，由王浩偉教授任負責人，與國際著名大學和大型企業(yè)建立八個聯(lián)合實驗室。研究所主要從事新型特種材料的設計、制備及其成形技術(shù)研究，支撐了多項國家重大工程需求，在國防裝備、航空航天和汽車軌交等多領域獲得廣泛應用。多年來承擔國防重點攻關項目、重點研發(fā)計劃、民機預研、民用航天預研、國家自然科學基金及國際合作項目等五十余項。在國內(nèi)外學術(shù)刊物上發(fā)表學術(shù)研究論文近300篇，獲授權(quán)中國國家發(fā)明專利100余項。先后獲得教育部技術(shù)發(fā)明一等獎、上海市技術(shù)發(fā)明一等獎及中國有色金屬工業(yè)技術(shù)發(fā)明一等獎。研究所秉承“創(chuàng)新創(chuàng)造、科研報國”的精神，胸懷祖國、服務社會，面向世界科技前沿、面向國家重大需求，砥礪前行、勇攀高峰。