10月24日，香港城市大學(xué)官網(wǎng)報道了近日該校呂堅院士團隊與上海交通大學(xué)聯(lián)合研究的一項突破，他們利用先進的3D打印技術(shù)制造了出具有前所未有抗疲勞性能的鋁合金，超過了所有其他鋁合金，包括具有有限冶金缺陷的傳統(tǒng)高強度變形鋁合金。新的抗疲勞策略可應(yīng)用于其他3D打印合金，幫助開發(fā)具有更高負載效率的輕量化組件。

研究團隊通過優(yōu)化材料成分和打印工藝，制備出了具有超高疲勞強度的TiB2改性AlSi10Mg（NTD-Al合金），與其他報道的3D打印鋁合金相比，3D打印的NTD-Al合金實現(xiàn)了高疲勞強度。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(yīng)用于航空器關(guān)鍵部件，并通過整體壽命實驗。

該研究成果以“ Achiving ultrahighaviationresistance in AlSi10Mg Alloy by Additive Manufacturing”發(fā)表在《Nature Materials》雜志上。《Science》的“研究亮點”也對該研究進行了評述， 將其描述為其他合金提高抗疲勞性的一般策略。

研究小組使用微計算機斷層掃描技術(shù)研究了這種3D打印的NTD-鋁合金，并在整個樣品中發(fā)現(xiàn)了典型的連續(xù)共晶雙相三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)由平均直徑約為500納米的凝固微孔結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)組成。3D雙相蜂窩納米結(jié)構(gòu)充當(dāng)堅固的體積納米籠，可防止局部損壞累積，從而抑制疲勞裂紋的萌生。 

呂堅教授表示，“由于快速凝固，合金內(nèi)部增材制造產(chǎn)生的納米共晶硅（Si）的三維網(wǎng)絡(luò)可以阻止位錯運動，從而抑制疲勞裂紋的萌生。通過工藝優(yōu)化控制缺陷，大塊NTD-鋁合金的疲勞極限優(yōu)于所有其他現(xiàn)有鋁合金。”

在一系列疲勞測試中，研究團隊發(fā)現(xiàn)，3D打印的塊體NTD-鋁合金的抗疲勞強度達到260MPa，是其他增材制造鋁合金的兩倍多。大塊NTD-鋁合金的高疲勞強度極限超過了所有其他鋁合金，包括具有有限冶金缺陷的傳統(tǒng)高強度變形鋁合金。

NTD-鋁合金已應(yīng)用于制造大型薄壁結(jié)構(gòu)原型，包括高疲勞強度的飛機發(fā)動機風(fēng)扇葉片，并成功通過了合格的疲勞試驗。 “這些發(fā)現(xiàn)表明我們的合金對于疲勞性能是關(guān)鍵設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的行業(yè)所需的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)具有潛在的適用性。我們的合金可以通過提高動態(tài)部件的負載效率來幫助減輕重量。”

結(jié)合3D打印的優(yōu)勢，這一最新發(fā)現(xiàn)將推動現(xiàn)代工業(yè)的輕量化設(shè)計并減少碳排放。同樣的策略也可以用于其他材料，以幫助解決金屬增材制造中的疲勞失效挑戰(zhàn)。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、高級工程師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)呂堅教授為共同通訊作者。