突破性进展：利用3D打印技术开发具有前所未有抗疲劳性能的铝合金
金属疲劳一直是工程领域的一个大问题，如何克服这个问题关乎着事物的运转效率和持久性。从古至今，人们一直在探索着解决金属疲劳的方法，每一次的技术进步都是人类文明的脚步。而现今，随着科技的发展，3D打印技术的崛起开辟了新的可能性。通过这种技术，我们可以制造出复杂的几何形状和结构，从而开发出在传统加工方法中无法生产出来的产品。然而，即便是这种新兴的技术，也无法逃脱材料疲劳的问题。
最近的一个科研突破可能会改变这个局面。研究人员对抗金属疲劳问题进行了深入的研究。研究团队利用先进的3D打印技术制造出了具有前所未有的抗疲劳性能铝合金。
据估计，超过80%的工程故障都是由材料疲劳造成的。因此，对抗金属疲劳故障的斗争仍在继续，因为这是所有机械系统（例如飞机、汽车和能源生产系统）轻质结构的关键参数。最近，香港城市大学与上海交通大学的联合研究取得了突破，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。新的抗疲劳策略可以应用于其他3D打印合金，以帮助各行业开发具有更高负载效率的轻质部件。
金属的疲劳现象大约在两个世纪前就被发现了。自此以后，疲劳失效成为飞机、汽车、核电站等所有动态机械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。这种具有挑战性的现象也发生在增材制造（也称为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)技术成功地用TiB 2纳米颗粒修饰的AlSi10Mg粉末制造新型铝合金。这种3D打印纳米TiB 2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。
该研究成果发表在《Nature Materials》杂志上，题为“Achieving ultrahighaviationresistance in AlSi10Mg Alloy by Additive Manufacturing”。这项研究成果还被刊登在著名科学杂志《科学》的“研究亮点”中，将其描述为其他合金提高抗疲劳性的一般策略。
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双相蜂窝状纳米结构，该结构由平均直径约为500纳米的凝固蜂窝结构网络组成。3D双相蜂窝状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。
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260 MPa，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。
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。
结合3D打印的优势，最新发现将推动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问题。
