中科院新进展！3D打印钛合金突破疲劳极限

       科学界对3D打印（即增材制造(AM) ）的高设计自由度和低材料浪费印象深刻，这对于钛(Ti)合金来说尤其重要，因为它们在传统制造中价格高昂且可加工性差。较差的抗疲劳性能阻碍了增材制造技术的广泛应用，因为疲劳性能是结构部件设计的关键标准。以往普遍认为直接从超高冷却速度的熔池中获得的增材制造显微组织，除了微空洞之外，还会导致抗疲劳性较低。

       最近有研究发现，AM钛合金的疲劳性能可以通过调整微观结构来改善，这进一步加深了对AM组织的偏见。我们之前的研究表明，微观结构与影响疲劳性能的微孔洞是耦合的，因此上述疲劳性能的改善可能是缘于耦合效应，而不一定是微观结构升级的结果。

       此外，从钛合金的疲劳损伤机制来看，AM微结构及其超细加工、弱α′/α变体选择、干净的原β晶界(PBGB)和良好的强度与塑性组合，这对降低疲劳损伤，从而表现出优异的疲劳强度是非常有利的。

       因此，基体增材制造组织的高抗疲劳性能可能会被微孔的存在所掩盖。阐明这个问题对于AM技术的发展非常重要，因为如果AM微观结构本身的抗疲劳性很差，那么任何微孔的减少都是徒劳的。如果不是这样，随着技术创新，消除微空洞和优化其他外部因素，如表面粗糙度，无空洞AM(Net-AM)微观结构的高抗疲劳性能，将有助于促进这些AM钛合金在航空航天和其他领域的结构应用。

【成果速览】

       结构材料的3D打印—即增材制造(AM)—的优势已被其令人失望的疲劳性能严重削弱。通常，较差的疲劳性能似乎是由于当前工艺程序引起的微孔的存在造成的。因此，我们提出的问题是，消除这些微空洞是否可以显著提高无空洞AM(Net-AM)合金的抗疲劳性能。

      中科院金属所研究员张哲峰团队，通过了解相变和晶粒生长的不同步性，通过开发Net-AM加工技术，成功地在Ti-6Al-4V钛合金中重建了近似无空洞的AM组织，其表现出约1GPa的超高疲劳极限，超过了所有AM和锻造钛合金以及其他金属材料的抗疲劳性。

      试验证实了Net-AM微结构具有较高的抗疲劳性能，以及AM加工在生产具有超强疲劳强度的结构部件方面的潜在优势，这有利于AM技术在工程领域的进一步应用。

      相关成果以“High fatigue resistance in a titanium alloy via near-void-free 3D printing ” 为题刊登在 Nature 上。

【数据概况】

      图1. 打印状态下的微孔分布和微观结构等。(正文图1)

      图2. 与其它Ti-6Al-4V合金的拉伸和疲劳性能的比较。(正文图2)

      图3. Net-AM组织与其他组织和材料的疲劳强度和比疲劳强度评价。(正文图3)

      图4. 疲劳裂纹模式及相应的微观结构。(正文图4)

      图5. 对打印态微观结构和NAMP微观结构进行精细表征和统计分析。(补充图1)

      图6. 本研究对增材制造技术的启示。(补充图2)

【结论展望】

       张哲峰：“这项成果更新了人们以往对3D打印材料疲劳性能不高的固有认识，展现了3D打印材料作为结构承力件在航空航天等重要领域的广阔应用前景。”
在这项研究中，通过使用新开发的Net-AM加工（NAMP）技术，展示了3D打印Ti合金微观结构的天然高抗疲劳性，这使得Ti在所有测试的金属材料中具有最高的比疲劳强度。

       除了NAMP技术在实际应用中的意义外，本研究还可以指导未来追求最佳疲劳性能的发展方向：一方面，为了优化打印工艺，应不断减小微孔的尺寸；另一方面，为了优化后处理，需要进一步细化微观结构，如补充图2数据所示。

       更重要的是，无空洞AM微观结构具有极高抗疲劳性能的观点不仅适用于钛合金，也适用于其他金属材料体系。这是因为疲劳损伤局部化通常集中在薄弱区域，而快速凝固产生的超细AM组织将有效地消除这些区域。

       总之，这项研究不仅阐明了增材制造金属材料在未来工程领域中用于具有出色抗疲劳性能的承载结构的巨大潜力，而且为当前的增材制造技术启发了一些新的研究方向。

来源：长三角激光联盟