中國科學家研制出“抗疲勞”3D打印鈦合金

記者從中國科學院獲悉，近日，中國科學院金屬研究所張哲峰團隊制備出具有高抗疲勞性能的3D打印鈦合金材料，研究成果于2月29日發表在《自然》（Nature）雜志上。

3D打印，又名增材制造，因其得天獨厚的自由成形能力極大地滿足了高端裝備和構件對高集成性、多功能性、輕量化、一體化的需求，被認為是制造領域的顛覆性技術，在航空航天等領域得到極大關注和初步應用。然而，與傳統制造技術相比，3D打印的材料在循環載荷下的疲勞性能普遍較差，嚴重制約了其作為結構承力件的廣泛應用。

研究人員*明確提出：理想狀態下3D打印技術直接制備出的鈦合金組織本身（稱為Net-AM組織）應具有天然的超高疲勞性能，而打印過程中產生的氣孔等缺陷掩蓋了其自身組織抗疲勞的優點，導致實際測量的3D打印材料疲勞性能大幅降低。然而，目前消除氣孔的工藝往往伴隨組織粗化，而細化組織的處理又會帶來氣孔復現，甚至引發晶界α相富集等新的不利因素，可謂進退兩難。

研究人員在Ti-6Al-4V合金中*發現，高溫下3D打印態組織的晶界遷移及氣孔長大與相轉變過程表現出異步的特性。這意味著，存在一個寶貴的熱處理工藝窗口，既可實現板條組織細化，又能有效抑制晶界α相富集及氣孔復現。為此，研究人員巧妙地利用了這一工藝窗口，發明了一種缺陷與組織分步調控的新工藝，*終制備出幾乎無氣孔的近Net-AM組織Ti-6Al-4V合金。其拉-拉疲勞強度從原始態的475兆帕提升至978兆帕，增幅高達106%。

通過對比發現，這種近Net-AM組織Ti-6Al-4V合金不僅在所有鈦合金材料中具有*高的拉-拉疲勞強度，而且在目前已報道的材料疲勞數據中，還具有*高的比疲勞強度（疲勞強度除以密度）。

這項成果更新了人們以往對3D打印材料疲勞性能不高的固有認識，揭示了3D打印技術在抗疲勞制造方面的獨特優勢，展現了3D打印材料作為結構承力件在航空航天等重要領域的廣闊應用前景。

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