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，上海交通大學材料科學與工程學院王浩偉教授團隊在抗疲勞3D打印鋁合金方向取得重要突破，相關成果在國際著名學術期刊《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呂堅院士團隊合作完成。

研究團隊通過優(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。

該研究論文以上海交通大學為第一完成單位，上海交通大學材料科學與工程學院博士后但承益、助理教授崔宇馳、副教授吳一和陳哲教授為共同第一作者，上海交通大學陳哲教授和香港城市大學呂堅院士為共同通訊作者。該工作為上海交通大學在2017年研發(fā)的高強韌增材制造TiB2改性AlSi10Mg合金（Acta Materialia 129, 2017,183-193）工作基礎上再次取得突破。

據(jù)統(tǒng)計，超過80%工程結構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世紀的難題。3D打印技術可以快速制備幾何形狀復雜的輕質結構件，然而打印過程中帶來的打印缺陷會極大程度降低3D打印材料的疲勞強度，成為限制其應用的最大瓶頸。如何提升3D打印金屬材料的疲勞強度是學術界和工業(yè)界長期以來關注的熱點和難點問題。

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

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。研究團隊通過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%（470 MPa）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μ-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2、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)絡結構內部

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，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。

研究團隊表示，特別感謝TESCAN中國和蔡司中國對本研究工作的技術支持以及上海浡原檢測有限公司提供的原位實驗支持。本研究獲得了國家自然科學基金 (51971137，52101043，52101179) 等項目的資助。

上海交通大學材料學院特種材料研究所，是金屬基復合材料國家重點實驗室的重要組成部分，由王浩偉教授任負責人，與國際著名大學和大型企業(yè)建立八個聯(lián)合實驗室。研究所主要從事新型特種材料的設計、制備及其成形技術研究，支撐了多項國家重大工程需求，在國防裝備、航空航天和汽車軌交等多領域獲得廣泛應用。多年來承擔國防重點攻關項目、重點研發(fā)計劃、民機預研、民用航天預研、國家自然科學基金及國際合作項目等五十余項。在國內外學術刊物上發(fā)表學術研究論文近300篇，獲授權中國國家發(fā)明專利100余項。先后獲得教育部技術發(fā)明一等獎、上海市技術發(fā)明一等獎及中國有色金屬工業(yè)技術發(fā)明一等獎。研究所秉承“創(chuàng)新創(chuàng)造、科研報國”的精神，胸懷祖國、服務社會，面向世界科技前沿、面向國家重大需求，砥礪前行、勇攀高峰。