上海交大Nat. Mater.: 高抗疲劳3D打印铝合金

据统计，工程结构构件80%以上的失效都是从材料疲劳开始的，这使得材料疲劳成为困扰工程界近两个世纪的困境。 3D打印技术可以快速制备复杂几何形状的轻质结构零件，但打印过程造成的打印缺陷会大大降低3D打印材料的疲劳硬度，成为限制其应用的最大困境。 如何提高3D打印金属材料的疲劳硬度，一直是学术界和工业界多年来关注的热点和难点问题。

近日，重庆交通大学材料科学与工程学院王浩伟院士团队在铝合金抗疲劳3D打印方向取得重要突破。 相关成果发表在国际知名学术期刊《NatureMaterials》上，标题为“Achiving Ultrahigh Fatigue-ResistantAlSi10MgAlloys by AdditiveManufacturing”。 这项工作是与台湾城市学院卢教授合作完成的。

团队通过优化材料成分和打印工艺，制备出具有超高疲劳硬度的TiB2改性AlSi10Mg合金。 其疲劳极限高达260MPa（R=0.1），是其他3D打印铝合金的两倍，超过传统锻造。 铝合金。 团队制备的高抗疲劳3D打印铝合金已成功应用于民用飞机关键部件，并通过全寿命测试。

本研究论文由上海交通大学作为第一单位完成。 北京交通大学材料科学与工程学院博士后但成义、院长助理崔宇驰、副院长吴毅、院长陈哲为共同第一作者，北京交通大学陈哲为共同第一作者作者。 台湾城市学院陆健院士为共同通讯作者。 该工作是基于天津交通大学2017年研发的高强韧增材制造TiB2变质AlSi10Mg合金（ActaMaterialia129, 2017, 183-193）的又一突破。

图1.高疲劳抗疲劳3D打印AlSi10Mg合金：(A)优化后的3D打印AlSi10Mg合金的疲劳硬度是其他3D打印铝合金的两倍，(B)同时超过传统高强度铝合金; (C) 3D打印AlSi10Mg合金跨尺度疲劳性能验证； (D) 3D打印AlSi10Mg合金的跨尺度结构设计与优化

图 2. 高抗疲劳 3D 打印 AlSi10Mg 合金的微观结构。 (A)μ-CT结果显示复制的缺陷均为球形，检测到的最大缺陷为73微米，约为不含TiB2颗粒的AlSi10Mg合金中LOF缺陷的1/3。 (B)复制样品的碳化物形貌，(CF)平均半径约为~500纳米的晶界硅网络结构，(G)Al、Si、Mg和Ti四种元素的分布

研究团队陈哲院士、博士后但成义等人以3D打印AlSi10Mg合金为研究对象，从微观到宏观开展跨尺度结构成分优化和疲劳性能表征工作。 该研究工作首次提出3D打印过程中快速熔化生成的微纳晶界两相三维网络结构可以有效抑制疲劳裂纹的萌生。 研究团队通过FIB加工制备了无印刷缺陷的微米级疲劳样品，并基于纳米压痕仪在扫描电子显微镜下进行了原位疲劳实验。 结果表明，3D打印AlSi10Mg合金中的微纳晶界网络结构可以有效限制定位。 可防止疲劳损伤累积和疲劳裂纹萌生，微米级样品的疲劳极限高达伸长硬度（470MPa）的80%以上。

基于这一原理，研究团队通过在AlSi10Mg合金粉末中引入TiB2成核颗粒，成功制备出具有超高疲劳硬度的TiB2改性AlSi10Mg合金，大幅增加了材料的复制缺陷。 其宏观样品的疲劳极限可高达260MPa。 延伸硬度是其他 3D 打印铝合金的近一半，两倍。 研究团队在超过疲劳极限后对样品进行了 CT 扫描和 TEM 表征。 微纳米晶界网络结构完整，未出现明显的疲劳裂纹。 这进一步否定了微纳晶界双相三维网络结构具有超高的抗疲劳性能。

图3 原位微纳疲劳试验：(A)疲劳试验前微米级疲劳样品表征，(B)最大挠度470MPa下107次加载循环后样品表征，(CE)疲劳试验后样品TKD表征结果显示硅网络保持完整并且样品中没有明显的应变集中。

图4 高抗疲劳亚微米晶界网络结构：（A）通过疲劳极限测试的样品未出现明显裂纹； (BC) μ-CT引导对样品表面附近的凹坑进行激光定位和铣削； (DH) 凹坑周围的亚微米晶界网络基本保持完整，位错运动被限制在网络结构内。

研究强调，通过技术创新消除或控制亚微米规格内的打印缺陷，3D打印AlSi10Mg合金的抗疲劳性能有望进一步提高。 据悉，这些通过3D打印实现的抗疲劳损伤机制还可以扩展到其他抗疲劳双/多相合金体系的设计以及其他3D打印制备技术。

我们非常感谢TESCAN China和Contax China对本研究工作的技术支持，以及北京五源检测有限公司提供的原位实验支持。本研究得到了国家自然科学基金委员会的资助（51971137、52101043、52101179）等项目。

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