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据估计，80%以上的工程问题是由材料疲劳引起的。在所有机械系统（例如飞机、汽车和能源生产系统）中，材料疲劳是轻量化结构的关键参数。据外媒报道，香港城市大学（CityU）与上海交通大学的联合研究团队利用先进的3D打印技术制造出具有前所未有的抗疲劳性能的铝合金。这种新抗疲劳策略还可应用于其他3D打印合金，有助于各行业开发具有更高负载效率的轻量化组件。
香港城市大学工程学院院长吕坚教授表示：“就所有动态机械系统（例如飞机、汽车和核电站系统）的寿命和可靠性而言，疲劳失效已成为最重要的问题之一。”
传统金属的疲劳强度通常低于其拉伸强度的一半。吕教授表示：“疲劳强度低主要由材料中的多尺度缺陷而引起，这些缺陷在循环载荷作用下不断生长和演变，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。这种现象也发生在增材制造（也称为3D打印）合金中，从而限制3D打印材料的进一步应用。”
为了解决3D打印合金及所有金属材料中常见的抗疲劳性低的问题，该联合研究团队通过目前广泛使用的金属增材制造技术——激光粉末床熔融（LPBF），成功使用TiB 2纳米颗粒改性AlSi10Mg粉末制造出新型铝合金。这种3D打印纳米TiB 2改性AlSi10Mg（NTD-Al合金）的抗疲劳性能是其他3D打印铝合金的两倍以上，并超过高强度锻造铝合金。
该团队利用微计算机断层扫描技术来研究3D打印NTD-Al铝合金，并在整个样品中发现具有代表性的连续3D双相多孔纳米结构，该结构由平均直径约为500纳米的凝固多孔结构网络组成。这种3D双相蜂窝纳米结构可以充当坚固的体积纳米笼，防止局部损坏积累，从而抑制产生疲劳裂纹。
吕教授表示：“由于快速凝固，合金内部增材制造产生的纳米共晶硅（Si）三维网络可以阻止位错运动，从而抑制产生疲劳裂纹。通过工艺优化来控制缺陷，可使大块NTD-Al合金的疲劳极限优于所有现有铝合金。”
（图片来源：香港城市大学）
该团队发现，在一系列疲劳测试中，大块打印NTD-Al合金可实现260 MPa的抗疲劳性能，是其他增材制造铝合金的两倍多。大块NTD-Al合金的高疲劳强度极限超过所有其他铝合金，包括具有有限冶金缺陷的常规高强度锻造铝合金。
这种NTD-Al合金已用于制造大型薄壁结构原型，包括具有高疲劳强度的飞机发动机风扇叶片，并成功通过疲劳试验。吕教授表示：“这些发现表明，这类合金可以通过提高移动部件的负载效率来帮助减轻重量。在将疲劳性能视为关键设计标准的行业中，这类合金对于其所需的轻量化结构具有潜在适用性。这一最新发现结合3D打印的优势，将促进现代产业轻量化设计并减少碳排放。这一策略还可用于其他材料，帮助解决金属添加剂制造过程中的疲劳失效挑战。”
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