3D打印又名增材制造（AM），因得天獨厚的自由成形能力滿足了高端裝備和構(gòu)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(lǐng)域的顛覆性技術(shù)。因此3D打印材料在航空航天等領(lǐng)域得到關(guān)注和初步應(yīng)用。然而，與傳統(tǒng)制造技術(shù)相比，3D打印制備的材料在循環(huán)載荷下的疲勞性能普遍較差，制約了其作為結(jié)構(gòu)承力件的廣泛應(yīng)用。因此，如何提升3D打印材料與構(gòu)件的疲勞性能是國內(nèi)外學術(shù)界與工程界熱切關(guān)注的焦點問題。
近期，中國科學院金屬研究所研究員張哲峰帶領(lǐng)的材料疲勞與斷裂團隊，在前期疲勞損傷機制和疲勞預測理論的指導下，與輕質(zhì)高強材料研究部研究員楊銳團隊合作，在3D打印鈦合金抗疲勞設(shè)計制備方面取得了突破性進展，制備出具有優(yōu)異疲勞性能的3D打印鈦合金材料。2月29日，相關(guān)研究成果以High fatigue resistance in a titanium alloy via near void-free 3D printing為題，發(fā)表在《自然》（Nature）上。
該研究首次明確提出理想狀態(tài)下3D打印技術(shù)直接制備出的鈦合金組織本身（稱為Net-AM組織）應(yīng)具有天然優(yōu)異的疲勞性能，而打印過程中產(chǎn)生的氣孔等缺陷掩蓋了其自身組織抗疲勞的優(yōu)點，導致實際測量的3D打印材料疲勞性能降低。因此，提升3D打印材料疲勞性能的關(guān)鍵在于消除打印氣孔的同時，盡可能保留原始打印的組織狀態(tài)。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(xiàn)，甚至引發(fā)晶界α相富集等新的不利因素，可謂進退兩難。研究在Ti-6Al-4V合金中首次發(fā)現(xiàn)，高溫下3D打印態(tài)組織的晶界遷移及氣孔長大與相轉(zhuǎn)變過程表現(xiàn)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(xiàn)板條組織細化，又能有效抑制晶界α相富集及氣孔復現(xiàn)。為此，科研人員巧妙地利用這一工藝窗口，發(fā)明了缺陷與組織分步調(diào)控的NAMP新工藝（Net-Additive Manufacturing Process），制備出幾乎無氣孔的近Net-AM Ti-6Al-4V合金。
本項研究工作制備的鈦合金組織本身(Net-AM)組織鈦合金的疲勞性能(R=0.1)示意圖。
大量疲勞實驗表明，這一近Net-AM鈦合金有效避免了從打印氣孔、粗大板條及α相富集晶界等多種疲勞短板處開裂，展示出3D打印組織自身所特有的高疲勞抗性：其拉-拉疲勞強度從原始態(tài)的475 MPa提升至978 MPa，增幅高達106%。對比發(fā)現(xiàn)，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最高的拉-拉疲勞強度，而且在目前已報道的材料疲勞數(shù)據(jù)中具有最高的比疲勞強度（疲勞強度除以密度）。
上述成果更新了科學家以往對3D打印材料疲勞性能不高的固有認識，揭示了3D打印技術(shù)在抗疲勞制造方面的優(yōu)勢，展現(xiàn)了3D打印材料作為結(jié)構(gòu)承力件在航空航天等領(lǐng)域的應(yīng)用前景。
該研究由金屬所和美國加利福尼亞大學伯克利分校合作完成。研究工作得到國家自然科學基金、中國科學院王寬誠國際合作項目以及中國科學院青年創(chuàng)新促進會等的支持。
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