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

2023-12-14

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(duì)與香港城市大學(xué)呂堅(jiān)院士團(tuán)隊(duì)合作在《NatureMaterials》（中科院1區(qū)，Top，影響因子41.2）期刊發(fā)表最新研究成果“AchievingultrahighfatigueresistanceinAlSi10Mgalloybyadditivemanufacturing”，報(bào)告了通過增材制造實(shí)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(jiān)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(jiān)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(yàn)，證明納米TiB2改性的AlSi10Mg的固有疲勞強(qiáng)度極限與其拉伸強(qiáng)度接近。為了證明這一機(jī)制的實(shí)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(qiáng)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(bào)道的AMAlSi10Mg和AlMgScZr相比，根據(jù)AMNTD-Al（應(yīng)力比（R）?=?0.1和-1.0）和AMAlSi10Mg（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，AMNTD-Al的疲勞極限與拉伸強(qiáng)度之比與疲勞強(qiáng)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(yàn)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AMAlSi10Mg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500nm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)3DSi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(yàn)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(gè)硅納米細(xì)胞結(jié)構(gòu)內(nèi)的單個(gè)位錯(cuò)。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(xiàng)工作中，作者報(bào)道了一種缺陷細(xì)化的大塊AMNTD-鋁合金，其具有超高的疲勞強(qiáng)度，大大超過了之前報(bào)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(qiáng)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(qiáng)大的體積3D位錯(cuò)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(qiáng)。此外，這種由增材制造相工程方法實(shí)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(jì)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。

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