中國網/中國發展門戶網訊 3D打印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。近期，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。該項研究成果于2024年2月29日發表在《自然》雜志上。

據了解，研究人員首次明確提出，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合金中首次發現，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，發明了缺陷與組織分步調控的NAMP新工藝（Net-Additive Manufacturing Process），最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 MPa提升至 978 MPa，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最高的拉-拉疲勞強度，而且在目前已報道的材料疲勞數據中，還具有最高的比疲勞強度（疲勞強度除以密度）。

本研究工作制備的Net-AM組織鈦合金的疲勞性能（R=0.1）：（a） Net-AM組織鈦合金拉-拉疲勞強度與增材和鍛造鈦合金疲勞強度對比；（b）Net-AM組織鈦合金與其他材料的比疲勞強度對比。Net-AM組織鈦合金不僅在鈦合金中具有最高的疲勞強度，而且在所有材料中表現出最高的比疲勞強度。

據悉，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。