10月24日，香港城市大學(xué)官網(wǎng)報(bào)道了近日該校呂堅(jiān)院士團(tuán)隊(duì)與上海交通大學(xué)聯(lián)合研究的一項(xiàng)突破，他們利用先進(jìn)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(guò)了所有其他鋁合金，包括具有有限冶金缺陷的傳統(tǒng)高強(qiáng)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(kāi)發(fā)具有更高負(fù)載效率的輕量化組件。

研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)優(yōu)化材料成分和打印工藝，制備出了具有超高疲勞強(qiáng)度的TiB2改性AlSi10Mg（NTD-Al合金），與其他報(bào)道的3D打印鋁合金相比，3D打印的NTD-Al合金實(shí)現(xiàn)了高疲勞強(qiáng)度。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(guò)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(guò)整體壽命實(shí)驗(yàn)。

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(diǎn)”也對(duì)該研究進(jìn)行了評(píng)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(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)研究了這種3D打印的NTD-鋁合金，并在整個(gè)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(jiān)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(jiān)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(cuò)運(yùn)動(dòng)，從而抑制疲勞裂紋的萌生。通過(guò)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(cè)試中，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，3D打印的塊體NTD-鋁合金的抗疲勞強(qiáng)度達(dá)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(qiáng)度極限超過(guò)了所有其他鋁合金，包括具有有限冶金缺陷的傳統(tǒng)高強(qiáng)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(qiáng)度的飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片，并成功通過(guò)了合格的疲勞試驗(yàn)。 “這些發(fā)現(xiàn)表明我們的合金對(duì)于疲勞性能是關(guān)鍵設(shè)計(jì)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(guò)提高動(dòng)態(tài)部件的負(fù)載效率來(lái)幫助減輕重量。”

結(jié)合3D打印的優(yōu)勢(shì)，這一最新發(fā)現(xiàn)將推動(dòng)現(xiàn)代工業(yè)的輕量化設(shè)計(jì)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(jí)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(jiān)教授為共同通訊作者。