香港城大聯(lián)合研發(fā)的3D打印鋁合金實(shí)現(xiàn)了前所未見的超高抗疲勞性能

來源：港城大材料

據(jù)統(tǒng)計(jì)，超過八成的工程故障是源于材料疲勞。因此，金屬疲勞失效是飛機(jī)、汽車和能源生產(chǎn)系統(tǒng)等所有機(jī)械系統(tǒng)輕質(zhì)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵參數(shù)，而為克服金屬疲勞而進(jìn)行的研究，多年來亦從未中止。最近，香港城市大學(xué)（香港城大）和上海交通大學(xué)的一項(xiàng)聯(lián)合研究便取得了突破性進(jìn)展，研究團(tuán)隊(duì)利用先進(jìn)的3D打印技術(shù)，制造出一種具有前所未見的超高抗疲勞性能的鋁合金。這項(xiàng)嶄新的抗金屬疲勞制備技術(shù)可應(yīng)用于其他3D打印合金，勢(shì)必有助于為各行各業(yè)開發(fā)出負(fù)載效率更高的輕巧部件。

“金屬疲勞的現(xiàn)象大約在兩個(gè)世紀(jì)前已被發(fā)現(xiàn)，自此疲勞失效成為影響所有動(dòng)態(tài)機(jī)械系統(tǒng)（如飛機(jī)、汽車和核電站）可靠性和壽命的最重要問題之一�！惫餐�領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)科學(xué)研究的香港城大工學(xué)院院長(zhǎng)兼國(guó)家貴金屬材料工程技術(shù)研究中心（NPMM）香港分中心主任呂堅(jiān)教授說。

傳統(tǒng)金屬的疲勞強(qiáng)度一般低于抗拉強(qiáng)度的一半�！捌�勞強(qiáng)度偏低的主要原因是材料內(nèi)部存在多尺度缺陷，這些缺陷會(huì)隨著循環(huán)加載不斷擴(kuò)大和惡化，變成宏觀裂紋，最后更會(huì)擴(kuò)展成為可破壞整個(gè)材料結(jié)構(gòu)的終極裂紋�！眳谓淌诶m(xù)解釋說：“這種具挑戰(zhàn)性的惱人現(xiàn)象，亦會(huì)出現(xiàn)在通過增材制造（3D打�。┑暮辖鹬�中，遂限制了3D打印材料的進(jìn)一步應(yīng)用。”

為了克服3D打印合金以至所有金屬材料普遍存在的疲勞強(qiáng)度偏低問題，香港城大和上海交通大學(xué)的聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)運(yùn)用其中一種最被廣泛使用、名為“激光粉末床熔合”（Laser Powder Bed Fusion，LPBF）的金屬增材制造技術(shù)，成功利用加入了納米鉍鈦（TiB2）微粒的AlSi10Mg粉末，創(chuàng)制出了一種新型鋁合金。這種以3D打印而成、并包含了TiB2納米微粒的AlSi10Mg（nano-TiB2-decorated AlSi10Mg，簡(jiǎn)稱NTD-Al）鋁合金，其疲勞強(qiáng)度是其他3D打印傳統(tǒng)鋁合金的兩倍以上，甚至超過了高強(qiáng)度的變形鋁合金。

實(shí)現(xiàn)3D打印NTD-Al合金（AM NTD-Al）的超高疲勞強(qiáng)度︰(A) 與其他現(xiàn)有的3D打印鋁合金相比，AM NTD-Al合金失效循環(huán)次數(shù)與最大應(yīng)力的關(guān)系圖；(B) AM NTD-Al及變形鋁合金的“疲勞極限與抗拉強(qiáng)度比”比較；(C) 對(duì)前所未有的抗金屬疲勞性能，進(jìn)行多尺度的樣本驗(yàn)證；(D) 提高合金性能的多尺度優(yōu)化策略。（圖片來源：Dan, C. et al, source: https://doi.org/10.1038/s41563-023-01651-9 ）  

上述研究成果已于學(xué)術(shù)期刊《自然-材料》（Nature Materials）上發(fā)表，題為〈Achieving ultrahigh fatigue resistance in AlSi10Mg alloy by additive manufacturing〉*。著名科學(xué)期刊《科學(xué)》（Science）**的“研究亮點(diǎn)”（Research Highlights）欄目也有作出介紹，并形容本次研究成果是能夠提高其他合金抗疲勞性能的一個(gè)更廣泛通用策略。

聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)利用微電腦斷層掃描技術(shù)，深入剖析了這種新穎的3D打印NTD-Al合金，結(jié)果發(fā)現(xiàn)整個(gè)樣品之中，都存在著典型的連續(xù)三維雙相蜂窩狀納米結(jié)構(gòu)。這種納米結(jié)構(gòu)由平均直徑約為500納米的已凝固蜂窩狀結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)所組成，形成了一個(gè)強(qiáng)靭兼具有相當(dāng)容積的“納米籠”，防止合金內(nèi)部局部損傷的積累，從而抑制疲勞裂紋的形成。

AM NTD-Al 合金的微觀結(jié)構(gòu)︰(A) μ-CT 分析顯示了3D打印缺陷的空間和尺寸分布，其中最大一個(gè)缺陷長(zhǎng)度僅為73 μm，只是不含TiB2微粒的AM AlSi10Mg合金缺陷的三分之一；(B) 3D打印合金樣本的晶粒形態(tài)；(C) 平均直徑約為 500 nm的凝固蜂窩網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；(D) BSE/FIB 斷層掃描顯示的連續(xù)3D硅蜂窩結(jié)構(gòu)；(E) 透射電子顯微鏡（TEM）顯示的由納米級(jí)硅相組成的蜂窩結(jié)構(gòu)。（圖片來源：Dan, C. et al, source: https://doi.org/10.1038/s41563-023-01651-9 ）

呂教授解釋說：“合金因3D打印而快速凝固而成的納米級(jí)共晶硅（Si）三維網(wǎng)絡(luò)，能夠阻止位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，從而抑制疲勞裂紋的產(chǎn)生。通過優(yōu)化制造過程以減少缺陷，新研發(fā)的NTD-Al合金的疲勞極限，較現(xiàn)存所有鋁合金更優(yōu)勝�！�

經(jīng)過一系列金屬疲勞測(cè)試，研究團(tuán)隊(duì)證實(shí)3D打印而成的新型NTD-Al鋁合金的疲勞強(qiáng)度達(dá)到260 MPa，是其他3D打印鋁合金的兩倍多，而且其疲勞強(qiáng)度極限，更高過了所有現(xiàn)存的鋁合金，甚至優(yōu)于只有極少冶金缺陷的傳統(tǒng)高強(qiáng)度變形鋁合金。

團(tuán)隊(duì)利用這種NTD-Al鋁合金，制備了大型薄壁結(jié)構(gòu)的樣件，包括飛機(jī)引擎的風(fēng)扇葉片，并成功通過了疲勞測(cè)試取得合格。

在最大應(yīng)力為 260 MPa（R = 0.1）的條件下對(duì)試樣進(jìn)行107次（1,000萬次）疲勞測(cè)試后的疲勞機(jī)制研究︰(A) 樣本在疲勞測(cè)試后未發(fā)現(xiàn)明顯裂紋；(B - C) 通過μ-CT引導(dǎo)的激光定位切削后，暴露出的P1橫切面；(D - H）孔洞周圍的亞微米共晶網(wǎng)絡(luò)基本保持完整，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)內(nèi)的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受到限制。（圖片來源：Dan, C. et al, source: https://doi.org/10.1038/s41563-023-01651-9 ）

“上述研究成果表明，我們的新合金應(yīng)用潛力極大，可適用于以抗疲勞性能為關(guān)鍵設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)領(lǐng)域所需的輕量化結(jié)構(gòu)。這種新研發(fā)的鋁合金更可以透過增加可活動(dòng)零件的材料負(fù)載效率，以減輕其重量。”呂教授補(bǔ)充說。

結(jié)合3D打印已有的優(yōu)勢(shì)，這項(xiàng)最新研究發(fā)現(xiàn)勢(shì)將促進(jìn)現(xiàn)代工業(yè)的輕量化設(shè)計(jì)，從而減少碳排放。呂教授總結(jié)說：“同樣的生產(chǎn)技術(shù)策略也可應(yīng)用于其他材料，幫助解決傳統(tǒng)3D打印金屬技術(shù)中難以克服的疲勞失效難題�！�

△香港城大工學(xué)院院長(zhǎng)兼國(guó)家貴金屬材料工程技術(shù)研究中心（NPMM）香港分中心主任呂堅(jiān)教授。（圖片來源：香港城市大學(xué)）

本次研究發(fā)現(xiàn)是上海交通大學(xué)王浩偉教授和香港城大呂堅(jiān)教授團(tuán)隊(duì)的合作成果。論文的共同第一作者是上海交通大學(xué)但承益博士、助理教授崔宇馳博士、副教授吳一博士和陳哲教授。共同通訊作者為香港城大呂堅(jiān)教授和上海交通大學(xué)陳哲教授，曾為香港城大機(jī)械工程學(xué)系博士后的劉輝博士也參與了上述研究。

這項(xiàng)研究得到了中國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金、法國(guó)北加萊海峽大區(qū)議會(huì)及歐洲區(qū)域發(fā)展基金的支持。

*刊于《自然-材料》（Nature Materials）的〈Achieving ultrahigh fatigue resistance in AlSi10Mg alloy by additive manufacturing〉文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41563-023-01651-9

**科學(xué)期刊《科學(xué)》（Science）的相關(guān)鏈接：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adk9203