增材制造金屬通常存在過(guò)早失效現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)過(guò)早失效的原因?qū)Λ@得高強(qiáng)韌3D打印金屬材料至關(guān)重要。本文采用增材制造制備出強(qiáng)度達(dá)到400 MPa以上的超高強(qiáng)銀合金，兼具良好塑性（16%），首次系統(tǒng)地揭示了3D打印金屬材料過(guò)早失效的內(nèi)在原因，為設(shè)計(jì)超高強(qiáng)3D打印金屬材料提供了理論基礎(chǔ)。

增材制造(AM，也叫3D打印)金屬材料在汽車、生物材料和航空等領(lǐng)域日益普及，其通常含有高密度位錯(cuò)、層錯(cuò)等結(jié)構(gòu)缺陷和精細(xì)的微觀結(jié)構(gòu)例如納米胞狀組織，導(dǎo)致材料具有高強(qiáng)度和較差的塑性。

近日，華南理工大學(xué)王智教授與其合作者采用激光選區(qū)熔化（SLM），通過(guò)合金設(shè)計(jì)調(diào)控銀合金的微觀組織，改變納米胞狀組織的界面連續(xù)析出脆性相，得到有規(guī)律排列的不連續(xù)析出相，獲得了抗拉強(qiáng)度達(dá)到410 MPa的超高強(qiáng)度銀合金，強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于鑄態(tài)和退火態(tài)銀合金，同時(shí)兼具良好塑性(16%)。同時(shí)明確指出高密度結(jié)構(gòu)缺陷和孔洞、未熔化顆粒以及微裂紋等缺陷是增材制造金屬發(fā)生過(guò)早失效的根本原因。相關(guān)成果以“Premature failure of an additively manufactured material”為題發(fā)表在NPG Asia Materials(三年平均IF=8.139)上，期刊同時(shí)刊登編輯評(píng)論，題為：Additive manufacturing: 3D-printed alloys find their hidden strength。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41427-020-0212-0

圖1 NPG AsiaMaterials 封面論文報(bào)道。

本研究通過(guò)在銀銅合金里面添加少量的鍺元素，獲得了胞狀組織亞晶界周期性析出不連續(xù)的富Cu和Ge的第二相，而且析出相與Ag基體呈半共格關(guān)系。這些半共格析出相可以有效阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)從而提高強(qiáng)度，同時(shí)這些析出相在變形過(guò)程中可以發(fā)生孿晶從而釋放局部應(yīng)力，避免裂紋萌生和提高塑性。

圖2: SLM Ag-Cu-Ge合金的典型顯微組織。

圖3：SLM和鑄造Ag-Cu-Ge合金的力學(xué)性能。a SLM和鑄造樣品的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線；b SLM試樣的抗拉強(qiáng)度與其他文獻(xiàn)中鑄造及熱處理試樣抗拉強(qiáng)度的比較；c加工硬化率曲線圖。

SLM Ag-Cu-Ge合金拉伸變形后的TEM顯微結(jié)構(gòu)，表明Ag基體中存在大量的位錯(cuò)、層錯(cuò)(SFs)和孿晶(twins)，而且析出相內(nèi)部也存在孿晶。析出相與Ag基體界面處清晰可見周期性錯(cuò)配位錯(cuò)。拉伸斷口表明裂紋在外部缺陷(孔洞和未熔化的粉末顆粒)處萌生并沿著內(nèi)部缺陷擴(kuò)展。

圖4：SLM Ag-Cu-Ge合金拉伸變形后的TEM顯微結(jié)構(gòu)。

圖5：SLM Ag-Cu-Ge合金的分層斷裂行為。

總的來(lái)說(shuō)，本研究通過(guò)合金設(shè)計(jì)，獲得了一種胞狀組織亞晶界不連續(xù)析出強(qiáng)化相，制備出抗拉強(qiáng)度達(dá)到410 MPa和塑性變形達(dá)到16%的超高強(qiáng)銀合金，揭示裂紋在孔洞和未熔化顆粒處萌生并沿內(nèi)部結(jié)構(gòu)缺陷擴(kuò)展是導(dǎo)致增材制造金屬發(fā)生過(guò)早失效的原因。這些發(fā)現(xiàn)為增材制造高強(qiáng)韌金屬提供了新的理論。