3D打印，又名增材制造（Additive manufacturing，AM），因其得天獨(dú)厚的自由成形能力極大地滿足了高端裝備和構(gòu)件對(duì)高集成性、多功能性、輕量化、一體化的需求，被認(rèn)為是制造領(lǐng)域的顛覆性技術(shù)。因而，3D打印材料在航空航天等領(lǐng)域得到極大關(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，嚴(yán)重制約了其作為結(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(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界與工程界熱切關(guān)注的焦點(diǎn)問(wèn)題。
近期，中國(guó)科學(xué)院金屬研究所材料疲勞與斷裂團(tuán)隊(duì)帶頭人張哲峰研究員在前期疲勞損傷機(jī)制和疲勞預(yù)測(cè)理論指導(dǎo)下，與輕質(zhì)高強(qiáng)材料研究部楊銳研究員團(tuán)隊(duì)開(kāi)展合作，在3D打印鈦合金抗疲勞設(shè)計(jì)制備方面取得了突破性進(jìn)展，制備出具有優(yōu)異疲勞性能的3D打印鈦合金材料。該項(xiàng)研究成果于2024年2月29日以題為“High fatigue resistance in a titanium alloy via near void-free 3D printing”發(fā)表在Nature雜志上，金屬所博士研究生曲展為論文第一作者，張振軍研究員、美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校Robert O. Ritchie教授、張哲峰研究員為論文通訊作者。
在文中，研究人員首次明確提出：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(guò)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(diǎn)，導(dǎo)致實(shí)際測(cè)量的3D打印材料疲勞性能大幅降低。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(shí)，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(xì)化組織的處理又會(huì)帶來(lái)氣孔復(fù)現(xiàn)，甚至引發(fā)晶界α相富集等新的不利因素，可謂進(jìn)退兩難。幸運(yùn)的是，研究人員在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(zhǎng)大與相轉(zhuǎn)變過(guò)程表現(xiàn)出異步的特性；這意味著，存在一個(gè)寶貴的熱處理工藝窗口，既可實(shí)現(xiàn)板條組織細(xì)化，又能有效抑制晶界α相富集及氣孔復(fù)現(xiàn)。為此，研究人員巧妙地利用了這一工藝窗口，發(fā)明了缺陷與組織分步調(diào)控的NAMP新工藝（Net-Additive Manufacturing Process）（圖1），最終制備出幾乎無(wú)氣孔的近Net-AM Ti-6Al-4V合金。
大量疲勞實(shí)驗(yàn)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(kāi)裂（圖2），充分展示出3D打印組織自身所特有的高疲勞抗性：其拉-拉疲勞強(qiáng)度從原始態(tài)的475 MPa提升至?978 MPa，增幅高達(dá)106%（圖3）。通過(guò)對(duì)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(qiáng)度，而且在目前已報(bào)道的材料疲勞數(shù)據(jù)中，還具有最高的比疲勞強(qiáng)度（疲勞強(qiáng)度除以密度）。
這項(xiàng)成果更新了人們以往對(duì)3D打印材料疲勞性能不高的固有認(rèn)識(shí)，揭示了3D打印技術(shù)在抗疲勞制造方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，展現(xiàn)了3D打印材料作為結(jié)構(gòu)承力件在航空航天等重要領(lǐng)域的廣闊應(yīng)用前景。
該項(xiàng)研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體(52321001)、優(yōu)秀青年基金(52322105)、重點(diǎn)基金(52130002)、葉企孫聯(lián)合基金(U2241245)、中國(guó)科學(xué)院王寬誠(chéng)國(guó)際合作項(xiàng)目(GJTD-2020-09)與中國(guó)科學(xué)院青促會(huì)(2021192)等項(xiàng)目資助。
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