華南理工《NPG Asia Materials》封面文章: 3D列印高強高塑性銀合金！

增材製造金屬通常存在過早失效現象，發現過早失效的原因對獲得高強韌3D列印金屬材料至關重要。本文採用增材製造製備出強度達到400 MPa以上的超高強銀合金，兼具良好塑性（16%），首次系統地揭示了3D列印金屬材料過早失效的內在原因，為設計超高強3D列印金屬材料提供了理論基礎。

增材製造(AM，也叫3D列印)金屬材料在汽車、生物材料和航空等領域日益普及，其通常含有高密度位錯、層錯等結構缺陷和精細的微觀結構例如納米胞狀組織，導致材料具有高強度和較差的塑性。

近日，華南理工大學王智教授與其合作者採用雷射選區熔化（SLM），通過合金設計調控銀合金的微觀組織，改變納米胞狀組織的界面連續析出脆性相，得到有規律排列的不連續析出相，獲得了抗拉強度達到410 MPa的超高強度銀合金，強度遠遠高於鑄態和退火態銀合金，同時兼具良好塑性(16%)。同時明確指出高密度結構缺陷和孔洞、未熔化顆粒以及微裂紋等缺陷是增材製造金屬發生過早失效的根本原因。相關成果以「Premature failure of an additively manufactured material」為題發表在NPG Asia Materials(三年平均IF=8.139)上，期刊同時刊登編輯評論，題為：Additive manufacturing: 3D-printed alloys find their hidden strength。

論文連結：

https://www.nature.com/articles/s41427-020-0212-0

圖1 NPG AsiaMaterials 封面論文報導。

本研究通過在銀銅合金裡面添加少量的鍺元素，獲得了胞狀組織亞晶界周期性析出不連續的富Cu和Ge的第二相，而且析出相與Ag基體呈半共格關係。這些半共格析出相可以有效阻礙位錯運動從而提高強度，同時這些析出相在變形過程中可以發生孿晶從而釋放局部應力，避免裂紋萌生和提高塑性。

圖2: SLM Ag-Cu-Ge合金的典型顯微組織。

圖3：SLM和鑄造Ag-Cu-Ge合金的力學性能。a SLM和鑄造樣品的真應力-真應變曲線；b SLM試樣的抗拉強度與其他文獻中鑄造及熱處理試樣抗拉強度的比較；c加工硬化率曲線圖。

SLM Ag-Cu-Ge合金拉伸變形後的TEM顯微結構，表明Ag基體中存在大量的位錯、層錯(SFs)和孿晶(twins)，而且析出相內部也存在孿晶。析出相與Ag基體界面處清晰可見周期性錯配位錯。拉伸斷口表明裂紋在外部缺陷(孔洞和未熔化的粉末顆粒)處萌生並沿著內部缺陷擴展。

圖4：SLM Ag-Cu-Ge合金拉伸變形後的TEM顯微結構。

圖5：SLM Ag-Cu-Ge合金的分層斷裂行為。

總的來說，本研究通過合金設計，獲得了一種胞狀組織亞晶界不連續析出強化相，製備出抗拉強度達到410 MPa和塑性變形達到16%的超高強銀合金，揭示裂紋在孔洞和未熔化顆粒處萌生並沿內部結構缺陷擴展是導致增材製造金屬發生過早失效的原因。這些發現為增材製造高強韌金屬提供了新的理論。（文：謝美燊）