中科院金屬所Nature正刊！3D打印鈦合金抗疲勞設(shè)計制備取得突破性進(jìn)展

導(dǎo)讀：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)件的疲勞性能是國內(nèi)外學(xué)術(shù)界與工程界熱切關(guān)注的焦點(diǎn)問題。

2024年2月29日，南極熊獲悉，中國科學(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)開展合作，提出了一種通過單獨(dú)調(diào)控其微觀結(jié)構(gòu)和缺陷來制造抗疲勞3D打印鈦合金的創(chuàng)新策略，稱為凈增材制造制備（NAMP）。

該項(xiàng)研究成果于2024年2月29日以題為“High fatigue resistance in a titaniumalloy 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。

相關(guān)論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07048-1

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，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)化組織的處理又會帶來氣孔復(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(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），最終制備出幾乎無氣孔的近Net-AM Ti-6Al-4V合金。NAMP工藝步驟主要包括用于消除微孔的熱等靜壓 (HIP) 以及隨后用于恢復(fù)增材制造微觀結(jié)構(gòu)的高溫短時 (HTSt) 熱處理具有細(xì)小的馬氏體板條，可以成功地使鈦合金恢復(fù)幾乎無空隙的Net-AM顯微組織。

圖1. 打印態(tài)、NAMP態(tài)以及其他兩種典型狀態(tài)3D打印鈦合金組織和缺陷特征：（a）打印態(tài)；（b）熱等靜壓（HIP）態(tài)；（c）Near-net-AM態(tài)；（d）Net-AM態(tài)。

大量疲勞實(shí)驗(yàn)表明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（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(qiáng)度，而且在目前已報道的材料疲勞數(shù)據(jù)中，還具有最高的比疲勞強(qiáng)度（疲勞強(qiáng)度/密度）。

圖2. 不同組織疲勞裂紋萌生典型位置。（a）疲勞裂紋萌生位置表征的尖角逐層磨拋方法示意圖；（b）Net-AM狀態(tài)；（c）HIP狀態(tài)：（d）Near net-AM狀態(tài)。Net-AM狀態(tài)的疲勞裂紋均從干凈的初生β晶界（PBGBs）處萌生，成功避免了從缺陷和粗大組織開裂，從而表現(xiàn)出極高的疲勞抗力。

圖3. 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(qiáng)度與增材和鍛造鈦合金疲勞強(qiáng)度對比；（b）Net-AM組織鈦合金與其他材料的比疲勞強(qiáng)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(qiáng)度，而且在所有材料中表現(xiàn)出最高的比疲勞強(qiáng)度。

采用NAMP工藝制備的顯微組織的疲勞裂紋通常在干凈的初生β晶界和細(xì)小的馬氏體板條處形核，成功地避免了許多傳統(tǒng)疲勞弱點(diǎn)并防止了局部缺陷累積，從而表現(xiàn)出極高的抗疲勞性能。

這項(xiàng)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(rèn)識，揭示了3D打印技術(shù)在抗疲勞制造方面的獨(dú)特優(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重要領(lǐng)域的廣闊應(yīng)用前景。

該項(xiàng)研究得到了國家自然科學(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)、中國科學(xué)院王寬誠國際合作項(xiàng)目(GJTD-2020-09)與中國科學(xué)院青促會(2021192)等項(xiàng)目資助。