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

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，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）的金屬積層製造技術，成功利用加入了TiB₂納米鈦微粒的AlSi10Mg粉末，創製出了一種新型鋁合金。這種以3D打印而成、並包含了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。

上述研究成果已於學術期刊《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，並形容今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矽（Si）三維網絡，能夠阻止位錯運動，從而抑制疲勞裂紋的產生。通過優化製造過程以減少缺陷，新研發的NTD-Al合金的疲勞極限，較現存所有鋁合金更優勝。」

團隊利用這種NTD-Al鋁合金，製備了大型的薄壁結構原型，包括飛機引擎的風扇葉片，並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，可適用於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於其他材料，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。」

今次的研究發現是上海交通大學王浩偉教授和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。共同通訊作者為城大呂堅教授和上海交通大學陳哲教授，曾為城大機械工程學系博士後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。