据估计，超过80%的工程故障是由于材料疲劳造成的，因此与金属疲劳故障的斗争仍在继续，因为这是所有机械系统（如飞机、汽车和能源生产系统）轻量化结构的关键参数。近日，香港城市大学（城大）与上海交通大学的联合研究取得突破，利用先进的3D打印技术制造出具有前所未有的抗疲劳性能的铝合金。新的抗疲劳策略可应用于其他3D打印合金，以帮助为各行业开发具有更高负载效率的轻质部件。
大约两个世纪前就发现了金属中的疲劳现象。从那时起，疲劳失效已成为所有动态机械系统（例如飞机、汽车和核电站中的系统）的寿命和可靠性中最重要的问题之一。传统金属的疲劳强度通常低于其拉伸强度的一半。疲劳强度低主要是由材料中的多尺度缺陷引起的，这些缺陷随着循环载荷的作用而不断生长和演变，形成宏观裂纹并最终扩展成更大的裂纹，从而破坏整个材料结构，这种具有挑战性的现象也发生在增材制造（3D 打印）生产的合金中，限制了 3D 打印材料的进一步应用。
为了克服3D打印合金以及所有金属材料的抗疲劳性低的问题，城大和上海交通大学的联合研究团队使用了激光粉末床熔融 （LPBF）——一种最广泛使用的金属增材制造技术技术——成功地用TiB2纳米颗粒装饰的 AlSi10Mg粉末制造了一种新型铝合金。这种3D打印纳米TiB2装饰的AlSi10Mg（NTD-铝合金）的抗疲劳性能是其他3D打印铝合金的两倍以上，并超过了高强度变形AI合金。
这些发现以“通过增材制造实现AlSi10Mg 合金的超高疲劳强度”为题发表在《自然材料》杂志上，并在《科学》杂志的“研究亮点”中得到了专题报道，该杂志将其描述为其他合金提高抗疲劳强度的总体策略抗疲劳性。
研究小组使用微计算机断层扫描技术研究了这种3D打印的NTD铝合金，并在整个样品中发现了典型的连续3D双相细胞纳米结构，该结构由平均直径约为500纳米的凝固细胞结构网络组成。3D双相蜂窝纳米结构充当坚固的体积纳米笼，可防止局部损坏累积，从而抑制疲劳裂纹的萌生。
研究人员表示：“由于快速凝固，合金内部增材制造产生的纳米共晶硅（Si）的三维网络可以阻止位错的运动，从而抑制疲劳裂纹的萌生。通过工艺优化控制缺陷，大块NTD铝合金的疲劳极限优于所有现有铝合金。”
在一系列疲劳测试中，研究团队发现，打印的块体NTD铝合金的抗疲劳强度达到260MPa，是其他增材制造铝合金的两倍多。大块NTD铝合金的高疲劳强度极限超过了所有其他铝合金，包括具有有限冶金缺陷的传统高强度变形铝合金。
NTD铝合金已应用于制造大型薄壁结构原型，包括高疲劳强度的飞机发动机风扇叶片，并成功通过了合格的疲劳试验。
这些发现表明，我们的合金对于疲劳性能是关键设计标准的行业所需的轻质结构具有潜在的适用性。我们的合金可以通过提高运动部件的负载效率来帮助减轻重量。结合3D打印的优势，最新发现将促进现代工业的轻量化设计并减少碳排放。同样的策略也可以用于其他材料，以帮助解决金属增材制造中的疲劳失效挑战。
