8月29日，中國(guó)科學(xué)院金屬研究所透露，該所研究團(tuán)隊(duì)最近研發(fā)成功一種新型3D打?。ㄒ卜Q增材制造）后處理技術(shù)，制造出被譽(yù)為“全能”抗疲勞的鈦合金材料，刷新了金屬材料抗疲勞世界紀(jì)錄。

這項(xiàng)為3D打印技術(shù)在高精尖領(lǐng)域應(yīng)用掃除一個(gè)重大障礙的重要研究，由中國(guó)科學(xué)院金屬研究所張哲峰和張振軍研究員團(tuán)隊(duì)完成，相關(guān)成果論文近日在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)進(jìn)展》（Science Advances）發(fā)表。

研究團(tuán)隊(duì)解釋稱，“全能”抗疲勞是指在各種應(yīng)力比條件下都表現(xiàn)出前所未有的抗疲勞能力，即抵抗反復(fù)受力而不損壞的能力。

他們介紹說，3D打印能輕松制造出結(jié)構(gòu)復(fù)雜、輕量化的金屬零件，這對(duì)于追求減重和一體化的新一代飛機(jī)、航天器等高端裝備來說極具吸引力，但長(zhǎng)期以來，3D打印出來的金屬零件有個(gè)“硬傷”——疲勞性能差，就是反復(fù)受力后容易產(chǎn)生裂紋甚至斷裂，這嚴(yán)重限制了其關(guān)鍵應(yīng)用。

2024年初，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)明一種凈增材制造（Net-AM preparation，NAMP）的新工藝，能精確控制材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和缺陷，用新工藝制備的Ti-6Al-4V（一種最常用的鈦合金）可同時(shí)消除微孔和粗大組織——兩者都是導(dǎo)致疲勞的元兇。這種新材料在循環(huán)“拉-拉”應(yīng)力條件下，打破了“比疲勞強(qiáng)度”（強(qiáng)度除以密度，是衡量輕質(zhì)材料性能的關(guān)鍵指標(biāo)）世界紀(jì)錄，證明3D打印材料也能擁有頂級(jí)的抗疲勞能力。

不過，現(xiàn)實(shí)中的金屬零件如飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、起落架等受力情況非常復(fù)雜，不但存在“拉-拉”也存在“拉-壓”等情況，也就是應(yīng)力比在變化，而不同的應(yīng)力比會(huì)引發(fā)材料內(nèi)部不同的損壞機(jī)制。此外，傳統(tǒng)的鈦合金微觀組織結(jié)構(gòu)往往“偏科”：只在某些特定的應(yīng)力比下表現(xiàn)出好的一面，換了另一種應(yīng)力比就可能表現(xiàn)不佳。這就使得制造一種能“通吃”所有工況的材料非常困難。

在本項(xiàng)研究中，面對(duì)這個(gè)更復(fù)雜的難題，研究團(tuán)隊(duì)分析揭示出鈦合金中幾種容易導(dǎo)致疲勞開裂的薄弱環(huán)節(jié)，以及它們?cè)谀姆N受力模式下會(huì)“發(fā)作”。在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)利用NAMP工藝制造了近乎無(wú)孔洞的3D打印組織，可以同時(shí)優(yōu)化所有這些薄弱環(huán)節(jié)，這種3D打印鈦合金具備在全應(yīng)力比條件下都保持高疲勞強(qiáng)度的特性。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在不同應(yīng)力比的疲勞測(cè)試中，“全能”抗疲勞鈦合金材料“比疲勞強(qiáng)度”全面優(yōu)于所有金屬材料。

不同顯微組織類型的Ti-6Al-4V合金在不同應(yīng)力比條件下的疲勞強(qiáng)度及對(duì)應(yīng)的疲勞開裂機(jī)制

Net-AM組織Ti-6Al-4V合金在不同應(yīng)力比下的典型疲勞斷口和對(duì)應(yīng)的疲勞裂紋萌生機(jī)制

與其他Ti-6Al-4V合金和常見的金屬結(jié)構(gòu)材料相比，Net-AM組織Ti-6Al-4V合金在不同應(yīng)力比下的疲勞強(qiáng)度分布