據(jù)統(tǒng)計(jì)，超過80%工程結(jié)構(gòu)部件的失效源于材料疲勞，這使得材料的疲勞成為困擾工程界近兩個(gè)世紀(jì)的難題。3D打印技術(shù)可以快速制備幾何形狀復(fù)雜的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)件，然而打印過程中帶來的打印缺陷會(huì)極大程度降低3D打印材料的疲勞強(qiáng)度，成為限制其應(yīng)用的最大瓶頸。如何提升3D打印金屬材料的疲勞強(qiáng)度是學(xué)術(shù)界和工業(yè)界長期以來關(guān)注的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問題。     

       上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院王浩偉教授團(tuán)隊(duì)通過優(yōu)化材料成分和打印工藝，制備出具有超高疲勞強(qiáng)度的TiB₂改性AlSi10Mg合金，其疲勞極限高達(dá)260MPa （R=0.1）, 是其他3D打印鋁合金的兩倍，并超過了傳統(tǒng)鍛造鋁合金。該團(tuán)隊(duì)制備的高抗疲勞3D打印鋁合金已成功應(yīng)用于航空器關(guān)鍵部件，并通過整體壽命實(shí)驗(yàn)。該工作為上海交通大學(xué)在2017年研發(fā)的高強(qiáng)韌增材制造TiB₂改性AlSi10Mg合金（Acta Materialia 129, 2017,183-193）工作基礎(chǔ)上再次取得突破。

         圖1、高抗疲勞3D打印AlSi10Mg合金：（A）優(yōu)化后3D打印AlSi10Mg合金疲勞強(qiáng)度為其他3D打印鋁合金的兩倍，（B）同時(shí)超過了傳統(tǒng)高強(qiáng)鋁合金；（C）3D打印AlSi10Mg合金的跨尺度疲勞性能驗(yàn)證；（D）3D打印AlSi10Mg合金的跨尺度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化        

       研究團(tuán)隊(duì)的陳哲教授、但承益博士后等人以3D打印AlSi10Mg合金為研究對(duì)象，開展了從微觀到宏觀的跨尺度結(jié)構(gòu)成分優(yōu)化和疲勞性能表征工作。該研究工作首次提出3D打印過程中，由于快速凝固而形成的微納共晶雙相三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可有效抑制疲勞裂紋的萌生。研究小組通過FIB加工制備不含打印缺陷的微米級(jí)疲勞樣品，基于納米壓痕儀開展掃描電鏡內(nèi)的原位疲勞實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明3D打印AlSi10Mg合金中的微納共晶網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以有效限制位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，抑制疲勞損傷累積和疲勞裂紋的萌生，其微米級(jí)樣品的疲勞極限高達(dá)抗拉強(qiáng)度的80%（470 MPa）以上�；�于此原理，該研究小組通過在AlSi10Mg合金粉末中引入TiB₂形核顆粒，大幅降低材料的打印缺陷，成功制備出超高疲勞強(qiáng)度的TiB₂改性AlSi10Mg合金，其宏觀樣品的疲勞極限可高達(dá)260MPa，接近抗拉強(qiáng)度的一半，是其他3D打印鋁合金的兩倍。研究團(tuán)隊(duì)對(duì)通過疲勞極限后的樣品進(jìn)行了μ-CT掃描和TEM表征，其微納共晶網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)保存完整，沒有明顯的疲勞裂紋萌生，進(jìn)一步證實(shí)微納共晶雙相三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具有超高抗疲勞性能。

圖2、高抗疲勞亞微米共晶網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)：（A）通過疲勞極限測(cè)試的樣品內(nèi)未出現(xiàn)明顯裂紋；（B-C）通過 μ-CT 引導(dǎo)激光定位切削至近樣品表面的孔洞；（D-H）孔洞周圍的亞微米共晶網(wǎng)絡(luò)基本保持完整，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)被限制在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)內(nèi)部

該研究指出，通過技術(shù)革新將打印缺陷消除或控制在亞微米尺寸范圍內(nèi)，3D打印AlSi10Mg合金的抗疲勞性有望進(jìn)一步增強(qiáng)。此外，這種由3D打印實(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/多相合金系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及其他3D打印制備技術(shù)。

       圖2、高抗疲勞亞微米共晶網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)：（A）通過疲勞極限測(cè)試的樣品內(nèi)未出現(xiàn)明顯裂紋；（B-C）通過 μ-CT 引導(dǎo)激光定位切削至近樣品表面的孔洞；（D-H）孔洞周圍的亞微米共晶網(wǎng)絡(luò)基本保持完整，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)被限制在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)內(nèi)部

該研究指出，通過技術(shù)革新將打印缺陷消除或控制在亞微米尺寸范圍內(nèi)，3D打印AlSi10Mg合金的抗疲勞性有望進(jìn)一步增強(qiáng)。此外，這種由3D打印實(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/多相合金系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及其他3D打印制備技術(shù)。