“全能”抗疲勞3D打印鈦合金一點不偏科

3D打印，即“增材制造”，能輕松制造出結構復雜、輕量化的金屬零件，這對于追求減重和一體化的新一代飛機、航天器等高端裝備來說極具吸引力。但長期以來，3D打印出來的金屬零件有個“硬傷”——疲勞性能差，就是反復受力后容易產生裂紋甚至斷裂，這嚴重限制了它的關鍵應用。

近期，中國科學院金屬研究所張哲峰、張振軍團隊研發出一種新型3D打印后處理技術，制造出的鈦合金材料在各種應力比條件下都表現出前所未有的抗疲勞能力——抵抗反復受力而不損壞的能力，其綜合疲勞性能全面超越所有已知的金屬材料，為3D打印技術在高精尖領域的應用掃除了一個重大障礙。

這項研究成果8月22日發表在《科學進展》。

2024年初，該團隊發明了一種NAMP的新工藝，能精確控制材料的內部結構和缺陷。用這種工藝制備的Ti-6Al-4V（一種最常用的鈦合金）可同時消除微孔和粗大組織，二者都是導致疲勞的元兇。這種新材料在“拉-拉”應力比條件下，打破了比疲勞強度的世界紀錄，證明了3D打印材料也能擁有頂級的抗疲勞能力。

但飛機發動機葉片、起落架等現實中的零件，受力情況非常復雜，不但存在“拉-拉”、也存在“拉-壓”等情況，也就是應力比在變化。不同的應力比會引發材料內部不同的損壞機制。

傳統的鈦合金微觀組織結構往往“偏科”——只在某些特定的應力比下表現出好的一面，換了另一種應力比就可能表現不佳。這使得制造一種能“通吃”所有工況的材料非常困難。

面對這個更復雜的難題，研究團隊揭示了鈦合金中幾種容易導致疲勞開裂的薄弱環節，以及它們在哪種受力模式下會“發作”。

他們利用NAMP工藝制造了近乎無孔洞的3D打印組織，可以同時優化所有這些薄弱環節，這種3D打印鈦合金具備在全應力比條件下都保持高疲勞強度的特性。

實驗數據表明，在不同應力比的疲勞測試中，這種新材料的疲勞強度不僅超過了所有鈦合金，其“比疲勞強度”（強度除以密度，是衡量輕質材料性能的關鍵指標）也全面優于所有金屬材料，刷新了世界記錄。

相關論文信息：https:// doi.org /10.1126/sciadv.ady0937