“全能”抗疲劳3D打印钛合金一点不偏科

3D打印，即“增材制造”，能轻松制造出结构复杂、轻量化的金属零件，这对于追求减重和一体化的新一代飞机、航天器等高端装备来说极具吸引力。但长期以来，3D打印出来的金属零件有个“硬伤”——疲劳性能差，就是反复受力后容易产生裂纹甚至断裂，这严重限制了它的关键应用。

近期，中国科学院金属研究所张哲峰、张振军团队研发出一种新型3D打印后处理技术，制造出的钛合金材料在各种应力比条件下都表现出前所未有的抗疲劳能力——抵抗反复受力而不损坏的能力，其综合疲劳性能全面超越所有已知的金属材料，为3D打印技术在高精尖领域的应用扫除了一个重大障碍。

这项研究成果8月22日发表在《科学进展》。

2024年初，该团队发明了一种NAMP的新工艺，能精确控制材料的内部结构和缺陷。用这种工艺制备的Ti-6Al-4V（一种最常用的钛合金）可同时消除微孔和粗大组织，二者都是导致疲劳的元凶。这种新材料在“拉-拉”应力比条件下，打破了比疲劳强度的世界纪录，证明了3D打印材料也能拥有顶级的抗疲劳能力。

但飞机发动机叶片、起落架等现实中的零件，受力情况非常复杂，不但存在“拉-拉”、也存在“拉-压”等情况，也就是应力比在变化。不同的应力比会引发材料内部不同的损坏机制。

传统的钛合金微观组织结构往往“偏科”——只在某些特定的应力比下表现出好的一面，换了另一种应力比就可能表现不佳。这使得制造一种能“通吃”所有工况的材料非常困难。

面对这个更复杂的难题，研究团队揭示了钛合金中几种容易导致疲劳开裂的薄弱环节，以及它们在哪种受力模式下会“发作”。

他们利用NAMP工艺制造了近乎无孔洞的3D打印组织，可以同时优化所有这些薄弱环节，这种3D打印钛合金具备在全应力比条件下都保持高疲劳强度的特性。

实验数据表明，在不同应力比的疲劳测试中，这种新材料的疲劳强度不仅超过了所有钛合金，其“比疲劳强度”（强度除以密度，是衡量轻质材料性能的关键指标）也全面优于所有金属材料，刷新了世界记录。

相关论文信息：https:// doi.org /10.1126/sciadv.ady0937