香港城大聯合研發的3D打印鋁合金實現了前所未見的超高抗疲勞性能
時間：2023-10-25 11:35 來源：3D打印鋁合金 作者：admin 閱讀：次
據統計，超過八成的工程故障是源于材料疲勞。因此，金屬疲勞失效是飛機、汽車和能源生產系統等所有機械系統輕質結構的關鍵參數，而為克服金屬疲勞而進行的研究，多年來亦從未中止。最近，香港城市大學（香港城大）和上海交通大學的一項聯合研究便取得了突破性進展，研究團隊利用先進的3D打印技術，制造出一種具有前所未見的超高抗疲勞性能的鋁合金。這項嶄新的抗金屬疲勞制備技術可應用于其他3D打印合金，勢必有助于為各行各業開發出負載效率更高的輕巧部件。
“金屬疲勞的現象大約在兩個世紀前已被發現，自此疲勞失效成為影響所有動態機械系統（如飛機、汽車和核電站）可靠性和壽命的最重要問題之一。”共同領導這項科學研究的香港城大工學院院長兼國家貴金屬材料工程技術研究中心（NPMM）香港分中心主任呂堅教授說。
傳統金屬的疲勞強度一般低于抗拉強度的一半。“疲勞強度偏低的主要原因是材料內部存在多尺度缺陷，這些缺陷會隨著循環加載不斷擴大和惡化，變成宏觀裂紋，最后更會擴展成為可破壞整個材料結構的終極裂紋。”呂教授續解釋說：“這種具挑戰性的惱人現象，亦會出現在通過增材制造（3D打印）的合金之中，遂限制了3D打印材料的進一步應用。”
為了克服3D打印合金以至所有金屬材料普遍存在的疲勞強度偏低問題，香港城大和上海交通大學的聯合研究團隊運用其中一種最被廣泛使用、名為“激光粉末床熔合”（Laser Powder Bed Fusion，LPBF）的金屬增材制造技術，成功利用加入了納米鉍鈦（TiB2）微粒的AlSi10Mg粉末，創制出了一種新型鋁合金。這種以3D打印而成、并包含了TiB2納米微粒的AlSi10Mg（nano-TiB2-decorated AlSi10Mg，簡稱NTD-Al）鋁合金，其疲勞強度是其他3D打印傳統鋁合金的兩倍以上，甚至超過了高強度的變形鋁合金。
上述研究成果已于學術期刊《自然-材料》（Nature Materials）上發表，題為〈Achieving ultrahigh fatigue resistance in AlSi10Mg alloy by additive manufacturing〉*。著名科學期刊《科學》（Science）**的“研究亮點”（Research Highlights）欄目也有作出介紹，并形容本次研究成果是能夠提高其他合金抗疲勞性能的一個更廣泛通用策略。
聯合研究團隊利用微電腦斷層掃描技術，深入剖析了這種新穎的3D打印NTD-Al合金，結果發現整個樣品之中，都存在著典型的連續三維雙相蜂窩狀納米結構。這種納米結構由平均直徑約為500納米的已凝固蜂窩狀結構網絡所組成，形成了一個強靭兼具有相當容積的“納米籠”，防止合金內部局部損傷的積累，從而抑制疲勞裂紋的形成。
呂教授解釋說：“合金因3D打印而快速凝固而成的納米級共晶硅（Si）三維網絡，能夠阻止位錯運動，從而抑制疲勞裂紋的產生。通過優化制造過程以減少缺陷，新研發的NTD-Al合金的疲勞極限，較現存所有鋁合金更優勝。”
經過一系列金屬疲勞測試，研究團隊證實3D打印而成的新型NTD-Al鋁合金的疲勞強度達到260 MPa，是其他3D打印鋁合金的兩倍多，而且其疲勞強度極限，更高過了所有現存的鋁合金，甚至優于只有極少冶金缺陷的傳統高強度變形鋁合金。
團隊利用這種NTD-Al鋁合金，制備了大型薄壁結構的樣件，包括飛機引擎的風扇葉片，并成功通過了疲勞測試取得合格。
“上述研究成果表明，我們的新合金應用潛力極大，可適用于以抗疲勞性能為關鍵設計標準的工業領域所需的輕量化結構。這種新研發的鋁合金更可以透過增加可活動零件的材料負載效率，以減輕其重量。”呂教授補充說。
結合3D打印已有的優勢，這項最新研究發現勢將促進現代工業的輕量化設計，從而減少碳排放。呂教授總結說：“同樣的生產技術策略也可應用于其他材料，幫助解決傳統3D打印金屬技術中難以克服的疲勞失效難題。”
本次研究發現是上海交通大學王浩偉教授和香港城大呂堅教授團隊的合作成果。論文的共同第一作者是上海交通大學但承益博士、助理教授崔宇馳博士、副教授吳一博士和陳哲教授。共同通訊作者為香港城大呂堅教授和上海交通大學陳哲教授，曾為香港城大機械工程學系博士后的劉輝博士也參與了上述研究。
這項研究得到了中國國家自然科學基金、法國北加萊海峽大區議會及歐洲區域發展基金的支持。
*刊于《自然-材料》（Nature Materials）的〈Achieving ultrahigh fatigue resistance in AlSi10Mg alloy by additive manufacturing〉文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41563-023-01651-9
**科學期刊《科學》（Science）的相關鏈接：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adk9203
“金屬疲勞的現象大約在兩個世紀前已被發現，自此疲勞失效成為影響所有動態機械系統（如飛機、汽車和核電站）可靠性和壽命的最重要問題之一。”共同領導這項科學研究的香港城大工學院院長兼國家貴金屬材料工程技術研究中心（NPMM）香港分中心主任呂堅教授說。
傳統金屬的疲勞強度一般低于抗拉強度的一半。“疲勞強度偏低的主要原因是材料內部存在多尺度缺陷，這些缺陷會隨著循環加載不斷擴大和惡化，變成宏觀裂紋，最后更會擴展成為可破壞整個材料結構的終極裂紋。”呂教授續解釋說：“這種具挑戰性的惱人現象，亦會出現在通過增材制造（3D打印）的合金之中，遂限制了3D打印材料的進一步應用。”
為了克服3D打印合金以至所有金屬材料普遍存在的疲勞強度偏低問題，香港城大和上海交通大學的聯合研究團隊運用其中一種最被廣泛使用、名為“激光粉末床熔合”（Laser Powder Bed Fusion，LPBF）的金屬增材制造技術，成功利用加入了納米鉍鈦（TiB2）微粒的AlSi10Mg粉末，創制出了一種新型鋁合金。這種以3D打印而成、并包含了TiB2納米微粒的AlSi10Mg（nano-TiB2-decorated AlSi10Mg，簡稱NTD-Al）鋁合金，其疲勞強度是其他3D打印傳統鋁合金的兩倍以上，甚至超過了高強度的變形鋁合金。
實現3D打印NTD-Al合金（AM NTD-Al）的超高疲勞強度︰(A)
與其他現有的3D打印鋁合金相比，AM NTD-Al合金失效循環次數與最大應力的關系圖；(B) AM
NTD-Al及變形鋁合金的“疲勞極限與抗拉強度比”比較；(C) 對前所未有的抗金屬疲勞性能，進行多尺度的樣本驗證；(D)
提高合金性能的多尺度優化策略。（圖片來源：Dan, C. et al, source: https://doi.org/10.1038/s41563-023-01651-9 ）
上述研究成果已于學術期刊《自然-材料》（Nature Materials）上發表，題為〈Achieving ultrahigh fatigue resistance in AlSi10Mg alloy by additive manufacturing〉*。著名科學期刊《科學》（Science）**的“研究亮點”（Research Highlights）欄目也有作出介紹，并形容本次研究成果是能夠提高其他合金抗疲勞性能的一個更廣泛通用策略。
聯合研究團隊利用微電腦斷層掃描技術，深入剖析了這種新穎的3D打印NTD-Al合金，結果發現整個樣品之中，都存在著典型的連續三維雙相蜂窩狀納米結構。這種納米結構由平均直徑約為500納米的已凝固蜂窩狀結構網絡所組成，形成了一個強靭兼具有相當容積的“納米籠”，防止合金內部局部損傷的積累，從而抑制疲勞裂紋的形成。
AM NTD-Al 合金的微觀結構︰(A) μ-CT
分析顯示了3D打印缺陷的空間和尺寸分布，其中最大一個缺陷長度僅為73 μm，只是不含TiB2微粒的AM
AlSi10Mg合金缺陷的三分之一；(B) 3D打印合金樣本的晶粒形態；(C) 平均直徑約為 500 nm的凝固蜂窩網絡結構；(D)
BSE/FIB 斷層掃描顯示的連續3D硅蜂窩結構；(E) 透射電子顯微鏡（TEM）顯示的由納米級硅相組成的蜂窩結構。（圖片來源：Dan, C.
et al, source: https://doi.org/10.1038/s41563-023-01651-9 ）
呂教授解釋說：“合金因3D打印而快速凝固而成的納米級共晶硅（Si）三維網絡，能夠阻止位錯運動，從而抑制疲勞裂紋的產生。通過優化制造過程以減少缺陷，新研發的NTD-Al合金的疲勞極限，較現存所有鋁合金更優勝。”
經過一系列金屬疲勞測試，研究團隊證實3D打印而成的新型NTD-Al鋁合金的疲勞強度達到260 MPa，是其他3D打印鋁合金的兩倍多，而且其疲勞強度極限，更高過了所有現存的鋁合金，甚至優于只有極少冶金缺陷的傳統高強度變形鋁合金。
團隊利用這種NTD-Al鋁合金，制備了大型薄壁結構的樣件，包括飛機引擎的風扇葉片，并成功通過了疲勞測試取得合格。
在最大應力為 260 MPa（R =
0.1）的條件下對試樣進行107次（1,000萬次）疲勞測試后的疲勞機制研究︰(A) 樣本在疲勞測試后未發現明顯裂紋；(B - C)
通過μ-CT引導的激光定位切削后，暴露出的P1橫切面；(D -
H）孔洞周圍的亞微米共晶網絡基本保持完整，網絡結構內的位錯運動受到限制。（圖片來源：Dan, C. et al, source: https://doi.org/10.1038/s41563-023-01651-9 ）
“上述研究成果表明，我們的新合金應用潛力極大，可適用于以抗疲勞性能為關鍵設計標準的工業領域所需的輕量化結構。這種新研發的鋁合金更可以透過增加可活動零件的材料負載效率，以減輕其重量。”呂教授補充說。
結合3D打印已有的優勢，這項最新研究發現勢將促進現代工業的輕量化設計，從而減少碳排放。呂教授總結說：“同樣的生產技術策略也可應用于其他材料，幫助解決傳統3D打印金屬技術中難以克服的疲勞失效難題。”
△香港城大工學院院長兼國家貴金屬材料工程技術研究中心（NPMM）香港分中心主任呂堅教授。（圖片來源：香港城市大學）
本次研究發現是上海交通大學王浩偉教授和香港城大呂堅教授團隊的合作成果。論文的共同第一作者是上海交通大學但承益博士、助理教授崔宇馳博士、副教授吳一博士和陳哲教授。共同通訊作者為香港城大呂堅教授和上海交通大學陳哲教授，曾為香港城大機械工程學系博士后的劉輝博士也參與了上述研究。
這項研究得到了中國國家自然科學基金、法國北加萊海峽大區議會及歐洲區域發展基金的支持。
*刊于《自然-材料》（Nature Materials）的〈Achieving ultrahigh fatigue resistance in AlSi10Mg alloy by additive manufacturing〉文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41563-023-01651-9
**科學期刊《科學》（Science）的相關鏈接：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adk9203
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