我国科学家研制出具有抗疲劳性能的3D打印钛合金

文章来源：科技日报

记者从中国科学院金属研究所获悉，该所张哲峰团队制备出具有高抗疲劳性能的3D打印钛合金材料，展现了3D打印材料作为结构承力件在航空航天等领域的广阔应用前景。该项研究成果于2月29日以“近无微孔3D打印钛合金高抗疲劳性能”为题发表在《自然》杂志上。

3D打印，又名增材制造，满足了高端装备和构件对高集成性、多功能性、轻量化、一体化的需求，被认为是制造领域的颠覆性技术，在航空航天等领域得到极大关注和初步应用。但与传统制造技术相比，3D打印材料在循环载荷下的疲劳性能普遍较差，严重制约了其作为结构承力件的广泛应用。

研究人员首次明确提出，理想状态下3D打印技术直接制备出的钛合金组织本身（称为Net-AM组织）应具有天然的超高疲劳性能，而打印过程中产生的气孔等缺陷掩盖了其自身组织抗疲劳的优点，导致实际测量的3D打印材料疲劳性能大幅降低。目前，消除气孔的工艺往往伴随组织粗化，而细化组织的处理又会带来气孔复现，甚至引发晶界α相富集等新的不利因素，可谓进退两难。

研究人员在Ti-6Al-4V合金中首次发现，高温下3D打印态组织的晶界迁移及气孔长大与相转变过程表现出异步的特性。这意味着，热处理过程中存在一个宝贵的工艺窗口，既可实现板条组织细化，又能有效抑制晶界α相富集及气孔复现。为此，研究人员巧妙地利用了这一工艺窗口，发明了缺陷与组织分步调控的NAMP新工艺（即增材制造无孔化处理），最终制备出几乎无气孔的近Net-AM组织Ti-6Al-4V合金。

据悉，该组织拉-拉疲劳强度从原始态的475MPa提升至978MPa，增幅高达106%。通过对比发现，该新型合金组织不仅在所有钛合金材料中具有最高的拉-拉疲劳强度，而且在目前已公开的材料疲劳数据中，还具有最高的比疲劳强度（疲劳强度除以密度）。

这项成果揭示了3D打印技术在抗疲劳制造方面的独特优势，展现了3D打印材料作为结构承力件在航空航天等重要领域的广阔应用前景。

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