近日，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)在抗疲勞3D打印鋁合金方向取得重要突破，相關(guān)成果發(fā)表在國(guó)際著名學(xué)術(shù)期刊Nature Materials，題為 “Achieving Ultrahigh Fatigue-Resistant AlSi10Mg Alloys by Additive Manufacturing” ，該工作與香港城市大學(xué)呂堅(jiān)院士團(tuán)隊(duì)合作完成。

該團(tuán)隊(duì)通過優(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，并通過整體壽命實(shí)驗(yàn)。

該研究論文以上海交通大學(xué)為第一完成單位，上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)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(xué)陳哲教授和香港城市大學(xué)呂堅(jiān)教授為共同通訊作者。該工作為上海交通大學(xué)在2017年研發(fā)的高強(qiáng)韌增材制造TiB₂改性AlSi10Mg合金（Acta Materialia 129, 2017,183-193）工作基礎(chǔ)上再次取得突破。

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

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%（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(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）通過疲勞極限測(cè)試的樣品內(nèi)未出現(xiàn)明顯裂紋；（B-C）通過 μ-CT 引導(dǎo)激光定位切削至近樣品表面的孔洞；（D-H）孔洞周圍的亞微米共晶網(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

該研究指出，通過技術(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)。

特別感謝TESCAN中國(guó)和蔡司中國(guó)對(duì)本研究工作的技術(shù)支持以及上海浡原檢測(cè)有限公司提供的原位實(shí)驗(yàn)支持。本研究獲得了國(guó)家自然科學(xué)基金 (51971137，52101043，52101179)等項(xiàng)目的資助。