香港城大联合研发的3D打印铝合金实现了前所未见的超高抗疲劳性能

来源：港城大材料

据统计，超过八成的工程故障是源于材料疲劳。因此，金属疲劳失效是飞机、汽车和能源生产系统等所有机械系统轻质结构的关键参数，而为克服金属疲劳而进行的研究，多年来亦从未中止。最近，香港城市大学（香港城大）和上海交通大学的一项联合研究便取得了突破性进展，研究团队利用先进的3D打印技术，制造出一种具有前所未见的超高抗疲劳性能的铝合金。这项崭新的抗金属疲劳制备技术可应用于其他3D打印合金，势必有助于为各行各业开发出负载效率更高的轻巧部件。

“金属疲劳的现象大约在两个世纪前已被发现，自此疲劳失效成为影响所有动态机械系统（如飞机、汽车和核电站）可靠性和寿命的最重要问题之一。”共同领导这项科学研究的香港城大工学院院长兼国家贵金属材料工程技术研究中心（NPMM）香港分中心主任吕坚教授说。

传统金属的疲劳强度一般低于抗拉强度的一半。“疲劳强度偏低的主要原因是材料内部存在多尺度缺陷，这些缺陷会随着循环加载不断扩大和恶化，变成宏观裂纹，最后更会扩展成为可破坏整个材料结构的终极裂纹。”吕教授续解释说：“这种具挑战性的恼人现象，亦会出现在通过增材制造（3D打印）的合金之中，遂限制了3D打印材料的进一步应用。”

为了克服3D打印合金以至所有金属材料普遍存在的疲劳强度偏低问题，香港城大和上海交通大学的联合研究团队运用其中一种最被广泛使用、名为“激光粉末床熔合”（Laser Powder Bed Fusion，LPBF）的金属增材制造技术，成功利用加入了纳米铋钛（TiB2）微粒的AlSi10Mg粉末，创制出了一种新型铝合金。这种以3D打印而成、并包含了TiB2纳米微粒的AlSi10Mg（nano-TiB2-decorated AlSi10Mg，简称NTD-Al）铝合金，其疲劳强度是其他3D打印传统铝合金的两倍以上，甚至超过了高强度的变形铝合金。

实现3D打印NTD-Al合金（AM NTD-Al）的超高疲劳强度︰(A) 与其他现有的3D打印铝合金相比，AM NTD-Al合金失效循环次数与最大应力的关系图；(B) AM NTD-Al及变形铝合金的“疲劳极限与抗拉强度比”比较；(C) 对前所未有的抗金属疲劳性能，进行多尺度的样本验证；(D) 提高合金性能的多尺度优化策略。（图片来源：Dan, C. et al, source: https://doi.org/10.1038/s41563-023-01651-9 ）  

上述研究成果已于学术期刊《自然-材料》（Nature Materials）上发表，题为〈Achieving ultrahigh fatigue resistance in AlSi10Mg alloy by additive manufacturing〉*。著名科学期刊《科学》（Science）**的“研究亮点”（Research Highlights）栏目也有作出介绍，并形容本次研究成果是能够提高其他合金抗疲劳性能的一个更广泛通用策略。

联合研究团队利用微电脑断层扫描技术，深入剖析了这种新颖的3D打印NTD-Al合金，结果发现整个样品之中，都存在着典型的连续三维双相蜂窝状纳米结构。这种纳米结构由平均直径约为500纳米的已凝固蜂窝状结构网络所组成，形成了一个强靭兼具有相当容积的“纳米笼”，防止合金内部局部损伤的积累，从而抑制疲劳裂纹的形成。

AM NTD-Al 合金的微观结构︰(A) μ-CT 分析显示了3D打印缺陷的空间和尺寸分布，其中最大一个缺陷长度仅为73 μm，只是不含TiB2微粒的AM AlSi10Mg合金缺陷的三分之一；(B) 3D打印合金样本的晶粒形态；(C) 平均直径约为 500 nm的凝固蜂窝网络结构；(D) BSE/FIB 断层扫描显示的连续3D硅蜂窝结构；(E) 透射电子显微镜（TEM）显示的由纳米级硅相组成的蜂窝结构。（图片来源：Dan, C. et al, source: https://doi.org/10.1038/s41563-023-01651-9 ）

吕教授解释说：“合金因3D打印而快速凝固而成的纳米级共晶硅（Si）三维网络，能够阻止位错运动，从而抑制疲劳裂纹的产生。通过优化制造过程以减少缺陷，新研发的NTD-Al合金的疲劳极限，较现存所有铝合金更优胜。”

经过一系列金属疲劳测试，研究团队证实3D打印而成的新型NTD-Al铝合金的疲劳强度达到260 MPa，是其他3D打印铝合金的两倍多，而且其疲劳强度极限，更高过了所有现存的铝合金，甚至优于只有极少冶金缺陷的传统高强度变形铝合金。

团队利用这种NTD-Al铝合金，制备了大型薄壁结构的样件，包括飞机引擎的风扇叶片，并成功通过了疲劳测试取得合格。

在最大应力为 260 MPa（R = 0.1）的条件下对试样进行107次（1,000万次）疲劳测试后的疲劳机制研究︰(A) 样本在疲劳测试后未发现明显裂纹；(B - C) 通过μ-CT引导的激光定位切削后，暴露出的P1横切面；(D - H）孔洞周围的亚微米共晶网络基本保持完整，网络结构内的位错运动受到限制。（图片来源：Dan, C. et al, source: https://doi.org/10.1038/s41563-023-01651-9 ）

“上述研究成果表明，我们的新合金应用潜力极大，可适用于以抗疲劳性能为关键设计标准的工业领域所需的轻量化结构。这种新研发的铝合金更可以透过增加可活动零件的材料负载效率，以减轻其重量。”吕教授补充说。

结合3D打印已有的优势，这项最新研究发现势将促进现代工业的轻量化设计，从而减少碳排放。吕教授总结说：“同样的生产技术策略也可应用于其他材料，帮助解决传统3D打印金属技术中难以克服的疲劳失效难题。”

△香港城大工学院院长兼国家贵金属材料工程技术研究中心（NPMM）香港分中心主任吕坚教授。（图片来源：香港城市大学）

本次研究发现是上海交通大学王浩伟教授和香港城大吕坚教授团队的合作成果。论文的共同第一作者是上海交通大学但承益博士、助理教授崔宇驰博士、副教授吴一博士和陈哲教授。共同通讯作者为香港城大吕坚教授和上海交通大学陈哲教授，曾为香港城大机械工程学系博士后的刘辉博士也参与了上述研究。

这项研究得到了中国国家自然科学基金、法国北加莱海峡大区议会及欧洲区域发展基金的支持。

*刊于《自然-材料》（Nature Materials）的〈Achieving ultrahigh fatigue resistance in AlSi10Mg alloy by additive manufacturing〉文章链接：https://www.nature.com/articles/s41563-023-01651-9

**科学期刊《科学》（Science）的相关链接：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adk9203