《Nature Materials》：增材制造實(shí)現(xiàn)AlSi10Mg合金超高抗疲勞性能

來(lái)源： 奇遇科技

2023年8月17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《NatureMaterials》發(fā)表題為Achieving Ultrahigh Fatigue-Resistant AlSi10Mg Alloys by Additive Manufacturing的研究論文，在抗疲勞3D打印鋁合金方向取得重要突破。

原文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adi0357

該團(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)。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。研究小組通過(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%（470MPa）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-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

圖2 高抗疲勞3D打印AlSi10Mg合金的微觀結(jié)構(gòu)（A）μ-CT結(jié)果顯示打印缺陷均為球型，其中最大的缺陷測(cè)量為73微米，約為不含TiB2顆粒AlSi10Mg合金中LOF缺陷的1/3（B）打印樣品的晶粒形態(tài)，（C-F）平均直徑約為~500納米的共晶硅網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（ G）Al、Si、Mg和Ti四種元素分布

圖3 原位微納疲勞測(cè)試（A）疲勞測(cè)試前的微米級(jí)疲勞樣品表征（B）在最大應(yīng)力470 MPa下進(jìn)行了107個(gè)加載循環(huán)后的樣品表征（C-E）疲勞測(cè)試后樣品的TKD表征結(jié)果，硅網(wǎng)絡(luò)保持完整，樣品內(nèi)未出現(xiàn)明顯應(yīng)變集中

圖4 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?chē)�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

研究結(jié)論
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)。