3D打印鈦合金疲勞性能研究獲進(jìn)展

來源：鈦之家

增材制造（又稱3D打印）作為一種新型制造方式，具有制造快捷、節(jié)省材料和用戶可定制等優(yōu)點(diǎn)，越來越受到航空、航天、汽車、醫(yī)療器械等領(lǐng)域的重視。由于工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的需求，增材制造材料的疲勞性能（尤其是超高周疲勞性能）和相應(yīng)的疲勞機(jī)理成為增材制造研究領(lǐng)域亟待解決的科學(xué)問題之一。

中國科學(xué)院力學(xué)研究所金屬材料微結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能課題組近期在增材制造鈦合金（Ti-6Al-4V）疲勞特性上開展了系列研究工作。課題組對(duì)增材制造鈦合金進(jìn)行了疲勞性能測試，獲得了材料高周及超高周疲勞性能。通過對(duì)疲勞斷口觀察，報(bào)道了增材制造鈦合金高周及超高周疲勞裂紋均萌生于材料內(nèi)部孔洞及未融合缺陷，并形成“魚眼狀”斷口形貌的新現(xiàn)象。這和傳統(tǒng)鍛造金屬材料的疲勞特征與裂紋萌生機(jī)理大不相同。根據(jù)裂紋源尺寸的分布特征，構(gòu)建了疲勞性能與裂紋尺寸之間的統(tǒng)計(jì)關(guān)聯(lián)。基于材料疲勞壽命數(shù)據(jù)和疲勞裂紋缺陷尺寸，進(jìn)行了概率統(tǒng)計(jì)P-S-N分析，得到該材料的高周、超高周疲勞失效概率與疲勞壽命、外加載荷的關(guān)系。此外，為進(jìn)一步探索疲勞裂紋擴(kuò)展特性，課題組利用原位疲勞加載裝置，獲得了不同溫度下、不同制備取向的Ti-6Al-4V裂擴(kuò)展速率，揭示了不同取向增材制造鈦合金疲勞裂紋擴(kuò)展的機(jī)制。

該研究不僅為增材制造鈦合金的工程應(yīng)用提供了有效的疲勞性能數(shù)據(jù)。同時(shí)，對(duì)于探索增材制造鈦合金的裂紋萌生及擴(kuò)展機(jī)制奠定了理論基礎(chǔ)。 International Journal of Fatigue，并得到國際同行的高度評(píng)價(jià)。該研究得到國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、中科院率先行動(dòng)計(jì)劃項(xiàng)目支持。

增材制造Ti-6Al-4V材料高周、超高周疲勞及不同溫度下疲勞裂紋擴(kuò)展性能 (a) 高周、超高周疲勞測試試樣 (b) S-N曲線 (c) 裂紋源 (d) “魚眼狀”斷口形貌 (e) 裂紋源粗糙度 (f) 超高周疲勞強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)分布 (g) 裂紋擴(kuò)展原位測試試樣 (h) 裂紋擴(kuò)展形貌 (i) 不同溫度下、不同制備取向試樣，裂紋長度隨疲勞周次變化。