城大联合研发的3D打印铝合金实现了前所未见的超高抗疲劳性能

为了克服3D打印合金以至所有金属材料普遍存在的疲劳强度偏低问题，城大和上海交通大学的联合研究团队运用其中一种最被广泛使用、名为“激光粉末床熔合”（Laser Powder Bed Fusion，LPBF）的金属增材制造技术，成功利用加入了纳米铋钛（TiB₂）微粒的AlSi10Mg粉末，创制出了一种新型铝合金。这种以3D打印而成、并包含了TiB₂纳米微粒的AlSi10Mg（nano-TiB₂-decorated AlSi10Mg，简称NTD-Al）铝合金，其疲劳强度是其他3D打印传统铝合金的两倍以上，甚至超过了高强度的变形铝合金。

上述研究成果已于学术期刊《自然-材料》（Nature Materials）上发表，题为〈Achieving ultrahigh fatigue resistance in AlSi10Mg alloy by additive manufacturing〉^*。著名科学期刊《科学》（Science）^**的“研究亮点”（Research Highlights）栏目也有作出介绍，并形容本次研究成果是能够提高其他合金抗疲劳性能的一个更广泛通用策略。

联合研究团队利用微电脑断层扫描技术，深入剖析了这种新颖的3D打印NTD-Al合金，结果发现整个样品之中，都存在着典型的连续三维双相蜂窝状纳米结构。这种纳米结构由平均直径约为500纳米的已凝固蜂窝状结构网络所组成，形成了一个强靭兼具有相当容积的“纳米笼”，防止合金内部局部损伤的积累，从而抑制疲劳裂纹的形成。

团队利用这种NTD-Al铝合金，制备了大型薄壁结构的样件，包括飞机引擎的风扇叶片，并成功通过了疲劳测试取得合格。

“上述研究成果表明，我们的新合金应用潜力极大，可适用于以抗疲劳性能为关键设计标准的工业领域所需的轻量化结构。这种新研发的铝合金更可以透过增加可活动零件的材料负载效率，以减轻其重量。”吕教授补充说。

结合3D打印已有的优势，这项最新研究发现势将促进现代工业的轻量化设计，从而减少碳排放。吕教授总结说：“同样的生产技术策略也可应用于其他材料，帮助解决传统3D打印金属技术中难以克服的疲劳失效难题。”

本次研究发现是上海交通大学王浩伟教授和香港城大吕坚教授团队的合作成果。论文的共同第一作者是上海交通大学但承益博士、助理教授崔宇驰博士、副教授吴一博士和陈哲教授。共同通讯作者为城大吕坚教授和上海交通大学陈哲教授，曾为香港城大机械工程学系博士后的刘辉博士也参与了上述研究。

这项研究得到了中国国家自然科学基金、法国北加莱海峡大区议会及欧洲区域发展基金的支持。