华南理工《NPG Asia Materials》封面文章: 3D打印高强高塑性银合金！

增材制造金属通常存在过早失效现象，发现过早失效的原因对获得高强韧3D打印金属材料至关重要。本文采用增材制造制备出强度达到400 MPa以上的超高强银合金，兼具良好塑性（16%），首次系统地揭示了3D打印金属材料过早失效的内在原因，为设计超高强3D打印金属材料提供了理论基础。

增材制造(AM，也叫3D打印)金属材料在汽车、生物材料和航空等领域日益普及，其通常含有高密度位错、层错等结构缺陷和精细的微观结构例如纳米胞状组织，导致材料具有高强度和较差的塑性。

近日，华南理工大学王智教授与其合作者采用激光选区熔化（SLM），通过合金设计调控银合金的微观组织，改变纳米胞状组织的界面连续析出脆性相，得到有规律排列的不连续析出相，获得了抗拉强度达到410 MPa的超高强度银合金，强度远远高于铸态和退火态银合金，同时兼具良好塑性(16%)。同时明确指出高密度结构缺陷和孔洞、未熔化颗粒以及微裂纹等缺陷是增材制造金属发生过早失效的根本原因。相关成果以“Premature failure of an additively manufactured material”为题发表在NPG Asia Materials(三年平均IF=8.139)上，期刊同时刊登编辑评论，题为：Additive manufacturing: 3D-printed alloys find their hidden strength。

论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41427-020-0212-0

图1 NPG AsiaMaterials 封面论文报道。

本研究通过在银铜合金里面添加少量的锗元素，获得了胞状组织亚晶界周期性析出不连续的富Cu和Ge的第二相，而且析出相与Ag基体呈半共格关系。这些半共格析出相可以有效阻碍位错运动从而提高强度，同时这些析出相在变形过程中可以发生孪晶从而释放局部应力，避免裂纹萌生和提高塑性。

图2: SLM Ag-Cu-Ge合金的典型显微组织。

图3：SLM和铸造Ag-Cu-Ge合金的力学性能。a SLM和铸造样品的真应力-真应变曲线；b SLM试样的抗拉强度与其他文献中铸造及热处理试样抗拉强度的比较；c加工硬化率曲线图。

SLM Ag-Cu-Ge合金拉伸变形后的TEM显微结构，表明Ag基体中存在大量的位错、层错(SFs)和孪晶(twins)，而且析出相内部也存在孪晶。析出相与Ag基体界面处清晰可见周期性错配位错。拉伸断口表明裂纹在外部缺陷(孔洞和未熔化的粉末颗粒)处萌生并沿着内部缺陷扩展。

图4：SLM Ag-Cu-Ge合金拉伸变形后的TEM显微结构。

图5：SLM Ag-Cu-Ge合金的分层断裂行为。

总的来说，本研究通过合金设计，获得了一种胞状组织亚晶界不连续析出强化相，制备出抗拉强度达到410 MPa和塑性变形达到16%的超高强银合金，揭示裂纹在孔洞和未熔化颗粒处萌生并沿内部结构缺陷扩展是导致增材制造金属发生过早失效的原因。这些发现为增材制造高强韧金属提供了新的理论。（文：谢美燊）