中科院金屬所Nature正刊！3D打印鈦合金抗疲勞設計制備取得突破性進展

導讀：3D打印材料在航空航天等領域得到極大關注和初步應用。然而，與傳統(tǒng)制造技術相比，3D打印制備的材料在循環(huán)載荷下的疲勞性能普遍較差，嚴重制約了其作為結構承力件的廣泛應用。因此，如何提升3D打印材料與構件的疲勞性能是國內外學術界與工程界熱切關注的焦點問題。

2024年2月29日，南極熊獲悉，中國科學院金屬研究所材料疲勞與斷裂團隊帶頭人張哲峰研究員在前期疲勞損傷機制和疲勞預測理論指導下，與輕質高強材料研究部楊銳研究員團隊開展合作，提出了一種通過單獨調控其微觀結構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打印技術直接制備出的鈦合金組織本身（稱為Net-AM組織）應具有天然優(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，導致實際測量的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，而細化組織的處理又會帶來氣孔復現(xiàn)，甚至引發(fā)晶界α相富集等新的不利因素，可謂進退兩難。

幸運的是，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，既可實現(xiàn)板條組織細化，又能有效抑制晶界α相富集及氣孔復現(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) 以及隨后用于恢復增材制造微觀結構的高溫短時 (HTSt) 熱處理具有細小的馬氏體板條，可以成功地使鈦合金恢復幾乎無空隙的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)。

大量疲勞實驗表明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-拉疲勞強度從原始態(tài)的475 MPa提升至 978 MPa，增幅高達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度（疲勞強度/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(xiàn)出最高的比疲勞強度。

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(yōu)勢，展現(xiàn)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。

該項研究得到了國家自然科學基金創(chuàng)新研究群體(52321001)、優(yōu)秀青年基金(52322105)、重點基金(52130002)、葉企孫聯(lián)合基金(U2241245)、中國科學院王寬誠國際合作項目(GJTD-2020-09)與中國科學院青促會(2021192)等項目資助。