我国新型3D打印技术制造出“全能”抗疲劳钛合金

近日，中国科学院金属研究所成功研发出一种新型3D打印(也称增材制造)后处理技术，制造出被誉为“全能”抗疲劳的钛合金材料，刷新了金属材料抗疲劳性能的世界纪录。

这项为3D打印技术在高精尖领域应用扫除关键障碍的重要研究，由中国科学院金属研究所张哲峰和张振军研究员团队完成，相关成果论文于近日在国际学术期刊《科学进展》(Science Advances)发表。

据悉，“全能”抗疲劳是指在各种应力比条件下都表现出前所未有的抗疲劳能力，即抵抗反复受力而不损坏的能力。3D打印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，即反复受力后容易产生裂纹甚至断裂，这限制了其关键应用。

2024年初，该团队发明一种净增材制造的新工艺，能精确控制材料的内部结构和缺陷，用新工艺制备的Ti-6Al-4V（一种最常用的钛合金）可同时消除微孔和粗大组织——两者都是导致疲劳的“元凶”。这种新材料在循环“拉-拉”应力条件下，打破了“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)世界纪录，证明3D打印材料也能拥有顶级的抗疲劳能力。

但现实中的金属零件，如飞机发动机叶片、起落架等受力情况非常复杂，存在“拉-拉”“拉-压”等情况，也就是应力比在变化，而不同的应力比会引发材料内部不同的损坏机制。此外，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。这就使得制造一种能“通吃”所有工况的材料非常困难。

面对这个复杂的难题，该团队分析出钛合金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”。在此基础上，研究团队利用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，“全能”抗疲劳钛合金材料“比疲劳强度”全面优于所有金属材料。