華南理工《NPG Asia Materials》封面文章: 3D打印高強高塑性銀合金！

增材制造金屬通常存在過早失效現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)過早失效的原因?qū)Λ@得高強韌3D打印金屬材料至關(guān)重要。本文采用增材制造制備出強度達到400 MPa以上的超高強銀合金，兼具良好塑性（16%），首次系統(tǒng)地揭示了3D打印金屬材料過早失效的內(nèi)在原因，為設(shè)計超高強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、層錯等結(jié)構(gòu)缺陷和精細的微觀結(jié)構(gòu)例如納米胞狀組織，導致材料具有高強度和較差的塑性。

近日，華南理工大學王智教授與其合作者采用激光選區(qū)熔化（SLM），通過合金設(shè)計調(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，獲得了抗拉強度達到410 MPa的超高強度銀合金，強度遠遠高于鑄態(tài)和退火態(tài)銀合金，同時兼具良好塑性(16%)。同時明確指出高密度結(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，期刊同時刊登編輯評論，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 封面論文報道。

本研究通過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運動從而提高強度，同時這些析出相在變形過程中可以發(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試樣的抗拉強度與其他文獻中鑄造及熱處理試樣抗拉強度的比較；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、層錯(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配位錯。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。

總的來說，本研究通過合金設(shè)計，獲得了一種胞狀組織亞晶界不連續(xù)析出強化相，制備出抗拉強度達到410 MPa和塑性變形達到16%的超高強銀合金，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)缺陷擴展是導致增材制造金屬發(fā)生過早失效的原因。這些發(fā)現(xiàn)為增材制造高強韌金屬提供了新的理論。（文：謝美燊）