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

來源： 奇遇科技

2023年8月17日，上海交通大學材料科學與工程學院王浩偉教授團隊在《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。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構成分優(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)絡結構可有效抑制疲勞裂紋的萌生。研究小組通過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，結果表明3D打印AlSi10Mg合金中的微納共晶網(wǎng)絡結構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%（470MPa）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)絡結構保存完整，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)絡結構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合金的跨尺度結構設計與優(yōu)化

圖2 高抗疲勞3D打印AlSi10Mg合金的微觀結構（A）μ-CT結果顯示打印缺陷均為球型，其中最大的缺陷測量為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)絡結構（ G）Al、Si、Mg和Ti四種元素分布

圖3 原位微納疲勞測試（A）疲勞測試前的微米級疲勞樣品表征（B）在最大應力470 MPa下進行了107個加載循環(huán)后的樣品表征（C-E）疲勞測試后樣品的TKD表征結果，硅網(wǎng)絡保持完整，樣品內(nèi)未出現(xiàn)明顯應變集中

圖4 高抗疲勞亞微米共晶網(wǎng)絡結構（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)絡結構內(nèi)部

研究結論
該研究指出，通過技術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。