上海交大《Nature Materials》：TiB2改性3D打印鋁合金將抗疲勞性提高一倍

2023年8月21日，南極熊獲悉，近日，上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院王浩偉教授團(tuán)隊(duì)在抗疲勞3D打印鋁合金方向取得重要突破，相關(guān)成果在國(guó)際著名學(xué)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(xué)呂堅(jiān)院士團(tuán)隊(duì)合作完成。

研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)優(yōu)化材料成分和打印工藝，制備出具有超高疲勞強(qiáng)度的TiB2改性AlSi10Mg合金，其疲勞極限高達(dá)260MPa （R=0.1）, 是其他3D打印鋁合金的兩倍，并超過(guò)了傳統(tǒng)鍛造鋁合金。該團(tuán)隊(duì)制備的高抗疲勞3D打印鋁合金已成功應(yīng)用于航空器關(guān)鍵部件，并通過(guò)整體壽命實(shí)驗(yàn)。

該研究論文以上海交通大學(xué)為第一完成單位，上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)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(xué)陳哲教授和香港城市大學(xué)呂堅(jiān)院士為共同通訊作者。該工作為上海交通大學(xué)在2017年研發(fā)的高強(qiáng)韌增材制造TiB2改性AlSi10Mg合金（Acta Materialia 129, 2017,183-193）工作基礎(chǔ)上再次取得突破。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，超過(guò)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(gè)世紀(jì)的難題。3D打印技術(shù)可以快速制備幾何形狀復(fù)雜的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)件，然而打印過(guò)程中帶來(lái)的打印缺陷會(huì)極大程度降低3D打印材料的疲勞強(qiáng)度，成為限制其應(yīng)用的最大瓶頸。如何提升3D打印金屬材料的疲勞強(qiáng)度是學(xué)術(shù)界和工業(yè)界長(zhǎng)期以來(lái)關(guān)注的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)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(qiáng)度為其他3D打印鋁合金的兩倍，（B）同時(shí)超過(guò)了傳統(tǒng)高強(qiáng)鋁合金；（C）3D打印AlSi10Mg合金的跨尺度疲勞性能驗(yàn)證；（D）3D打印AlSi10Mg合金的跨尺度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

研究團(tuán)隊(duì)的陳哲教授、但承益博士后等人以3D打印AlSi10Mg合金為研究對(duì)象，開(kāi)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(guò)程中，由于快速凝固而形成的微納共晶雙相三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可有效抑制疲勞裂紋的萌生。研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)FIB加工制備不含打印缺陷的微米級(jí)疲勞樣品，基于納米壓痕儀開(kāi)展掃描電鏡內(nèi)的原位疲勞實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明3D打印AlSi10Mg合金中的微納共晶網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以有效限制位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，抑制疲勞損傷累積和疲勞裂紋的萌生，其微米級(jí)樣品的疲勞極限高達(dá)抗拉強(qiáng)度的80%（470 MPa）以上。

基于此原理，該研究小組通過(guò)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(qiáng)度的TiB2改性AlSi10Mg合金，其宏觀樣品的疲勞極限可高達(dá)260MPa，接近抗拉強(qiáng)度的一半，是其他3D打印鋁合金的兩倍。研究團(tuán)隊(duì)對(duì)通過(guò)疲勞極限后的樣品進(jìn)行了μ-CT掃描和TEM表征，其微納共晶網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)保存完整，沒(méi)有明顯的疲勞裂紋萌生，進(jìn)一步證實(shí)微納共晶雙相三維網(wǎng)絡(luò)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(luò)結(jié)構(gòu)：（A）通過(guò)疲勞極限測(cè)試的樣品內(nèi)未出現(xiàn)明顯裂紋；（B-C）通過(guò) μ-CT 引導(dǎo)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(luò)基本保持完整，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)被限制在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)內(nèi)部

該研究指出，通過(guò)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(jìn)一步增強(qiáng)。此外，這種由3D打印實(shí)現(xiàn)的抗疲勞損傷機(jī)制還可以擴(kuò)展到其他抗疲勞雙/多相合金系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及其他3D打印制備技術(shù)。

研究團(tuán)隊(duì)表示，特別感謝TESCAN中國(guó)和蔡司中國(guó)對(duì)本研究工作的技術(shù)支持以及上海浡原檢測(cè)有限公司提供的原位實(shí)驗(yàn)支持。本研究獲得了國(guó)家自然科學(xué)基金 (51971137，52101043，52101179) 等項(xiàng)目的資助。

上海交通大學(xué)材料學(xué)院特種材料研究所，是金屬基復(fù)合材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的重要組成部分，由王浩偉教授任負(fù)責(zé)人，與國(guó)際著名大學(xué)和大型企業(yè)建立八個(gè)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室。研究所主要從事新型特種材料的設(shè)計(jì)、制備及其成形技術(shù)研究，支撐了多項(xiàng)國(guó)家重大工程需求，在國(guó)防裝備、航空航天和汽車軌交等多領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。多年來(lái)承擔(dān)國(guó)防重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目、重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、民機(jī)預(yù)研、民用航天預(yù)研、國(guó)家自然科學(xué)基金及國(guó)際合作項(xiàng)目等五十余項(xiàng)。在國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)刊物上發(fā)表學(xué)術(shù)研究論文近300篇，獲授權(quán)中國(guó)國(guó)家發(fā)明專利100余項(xiàng)。先后獲得教育部技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)、上海市技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)及中國(guó)有色金屬工業(yè)技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)。研究所秉承“創(chuàng)新創(chuàng)造、科研報(bào)國(guó)”的精神，胸懷祖國(guó)、服務(wù)社會(huì)，面向世界科技前沿、面向國(guó)家重大需求，砥礪前行、勇攀高峰。