上海交通大學(xué)：通過增材制造實現(xiàn)AlSi10Mg合金的超高疲勞抗力！

來源：焊接科學(xué)

自1830年代末首次發(fā)現(xiàn)疲勞現(xiàn)象以來，對抗疲勞失效的努力一直在持續(xù)。2023年8月17日，上海交通大學(xué)特種材料研究所王浩偉團(tuán)隊與香港城市大學(xué)呂堅院士團(tuán)隊合作在《Nature Materials》（中科院1區(qū)，Top，影響因子41.2）期刊發(fā)表最新研究成果“Achieving ultrahigh fatigue resistance in AlSi10Mg alloy by additive manufacturing”，報告了通過增材制造實現(xiàn)的納米TiB2改性的AlSi10Mg的抗疲勞現(xiàn)象。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、副教授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)呂堅院士為共同通訊作者。

研究表明，這種抗疲勞機(jī)制受益于三維雙相蜂窩納米結(jié)構(gòu)，它充當(dāng)堅固的體積納米籠，防止局部損傷累積，從而抑制疲勞裂紋的萌生。通過無缺陷微樣品的原位疲勞試驗，證明納米TiB2改性的AlSi10Mg的固有疲勞強度極限與其拉伸強度接近。為了證明這一機(jī)制的實際適用性，打印的納米TiB2改性的AlSi10Mg的抗疲勞性能是其他增材制造鋁合金的兩倍以上，并超過了高強度變形鋁合金。這種增材制造輔助納米結(jié)構(gòu)工程策略可以擴(kuò)展到其他雙相抗疲勞金屬的開發(fā)。

圖1. a，與其他報道的AM AlSi10Mg和AlMgScZr相比，根據(jù)AM NTD-Al（應(yīng)力比（R） = 0.1和-1.0）和AM AlSi10Mg（應(yīng)力比（R） = 0.1）的最大應(yīng)力繪制的失效循環(huán)數(shù) 合金5,6,7,8,9,14,15,16,17,18,19,20,21,22。b，AM NTD-Al 的疲勞極限與拉伸強度之比與疲勞強度的關(guān)系，與鋁合金相比，R = −1。c，疲勞性能的多尺度樣本驗證。d，用于性能改進(jìn)的多尺度結(jié)構(gòu)。

圖2. a，μ-CT 分析顯示印刷缺陷的空間和尺寸分布。插圖顯示最大測量缺陷為 73μm，僅為無 TiB2 裝飾的 AM AlSi10Mg 合金 LOF 缺陷的約三分之一（擴(kuò)展數(shù)據(jù)圖 3a、b）。b，打印樣品的顆粒形態(tài)。c，平均直徑約為 500 nm 的凝固細(xì)胞結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。d，BSE-FIB 斷層掃描顯示的連續(xù) 3D Si 細(xì)胞結(jié)構(gòu)。e，TEM 顯示的由納米級 Si 相組成的蜂窩結(jié)構(gòu)。f,g，Al、Si、Mg 和 Ti 的 TEM 圖像和 EDS 圖，表明 Si 的分布與胞狀結(jié)構(gòu)一致。插圖顯示了選定區(qū)域的電子衍射圖案，說明 Si 以具有隨機(jī)取向的納米級相存在。

圖3. a、疲勞試驗后試件未觀察到明顯裂紋；最大的孔隙（P1-P4）沒有出現(xiàn)裂縫；P1和P2位于靠近樣品表面的位置，而P3和P4位于樣品的中間。L對應(yīng)于加載方向，LT對應(yīng)于長橫向方向，ST對應(yīng)于短橫向方向。b，P1的μ-CT掃描橫截面。c，通過μ-CT引導(dǎo)激光拋光定位并暴露P1的橫截面。d，P1 附近區(qū)域完整 Si 蜂窩結(jié)構(gòu)的 TEM 表征（從 c 中的矩形區(qū)域中取出 TEM 箔）。e,f，EDS 圖顯示了元素 Al (e) 和 Si (f) 的分布。g,h，分布在一個硅納米細(xì)胞結(jié)構(gòu)內(nèi)的單個位錯。i,j，示意圖顯示源自 PSB 的傳統(tǒng)疲勞損傷 (i) 和 3D-DPCN 結(jié)構(gòu)的抗疲勞機(jī)制 (j)。

關(guān)鍵結(jié)論
在這項工作中，作者報道了一種缺陷細(xì)化的大塊AM NTD-鋁合金，其具有超高的疲勞強度，大大超過了之前報道的AM鋁合金和通過不同熱機(jī)械工藝獲得的傳統(tǒng)高強度變形鋁合金。LPBF-AM制備的鋁合金揭示了抗疲勞機(jī)制，其中快速凝固產(chǎn)生的固有3D-DPCN網(wǎng)絡(luò)能夠通過充當(dāng)強大的體積3D位錯屏障籠來限制疲勞損傷，以防止疲勞過程中局部不可逆損傷累積循環(huán)加載。通過將打印缺陷尺寸減小到亞微米范圍或通過未來的技術(shù)創(chuàng)新消除缺陷，NTD-Al的抗疲勞性有望進(jìn)一步增強。此外，這種由增材制造相工程方法實現(xiàn)的抗疲勞損傷機(jī)制還可以擴(kuò)展到其他抗疲勞雙相/多相合金系統(tǒng)的設(shè)計以及其他增材制造技術(shù)，包括電子束熔化和定向能量沉積。

論文引用
Dan, C., Cui, Y., Wu, Y. et al. Achieving ultrahigh fatigue resistance in AlSi10Mg alloy by additive manufacturing. Nat. Mater. (2023). https://doi.org/10.1038/s41563-023-01651-9