【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】3D打印，又名增材制造(Additive manufacturing，AM)，憑借在復(fù)雜金屬構(gòu)件上得天獨(dú)厚的自由成形能力，極大地滿足了新一代航空裝備對(duì)輕量化、高集成度的重大需求，有望替代傳統(tǒng)制造方法實(shí)現(xiàn)高端裝備關(guān)鍵構(gòu)件的智能制造。不過(guò)，這一巨大的應(yīng)用前景長(zhǎng)期以來(lái)受制于增材制造材料及構(gòu)件普遍較差的疲勞性能。為解決3D打印材料抗疲勞的國(guó)際難題，2024年2月中國(guó)科學(xué)院金屬研究所材料疲勞與斷裂團(tuán)隊(duì)與鈦合金團(tuán)隊(duì)合作提出了組織與缺陷耦合調(diào)控的NAMP工藝，成功制備出具有超高拉-拉疲勞性能的近無(wú)微孔3D打印Ti-6Al-4V合金材料(Nature，2024)，突破所有材料拉-拉比疲勞強(qiáng)度世界紀(jì)錄，更新了人們以往對(duì)3D打印材料疲勞性能不高的固有認(rèn)識(shí)。
然而，實(shí)際工程構(gòu)件的服役環(huán)境一般非常復(fù)雜，常常伴隨著加載應(yīng)力比的顯著變化。當(dāng)材料或構(gòu)件所承受的外部應(yīng)力比變化時(shí)，循環(huán)應(yīng)力幅值和最大應(yīng)力的分配比例也隨之改變，進(jìn)而誘發(fā)不同疲勞開(kāi)裂機(jī)制之間的轉(zhuǎn)變。這種“此消彼長(zhǎng)”的開(kāi)裂規(guī)律使得傳統(tǒng)鈦合金組織難以在全應(yīng)力比范圍內(nèi)均保持優(yōu)異的疲勞性能，一種顯微組織類型往往僅在特定應(yīng)力比范圍內(nèi)表現(xiàn)出抗疲勞優(yōu)勢(shì)(圖1)。尤其是對(duì)于具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的增材制造構(gòu)件，其實(shí)際服役過(guò)程中的應(yīng)力分布更為復(fù)雜，不可避免地會(huì)承受具有多變應(yīng)力比的疲勞載荷。因此，如何實(shí)現(xiàn)全應(yīng)力比條件下的高抗疲勞能力是決定增材制造技術(shù)能否在航空航天等領(lǐng)域規(guī)模化應(yīng)用的關(guān)鍵，也是亟待解決的科學(xué)難題之一。
針對(duì)新的挑戰(zhàn)，材料疲勞與斷裂研究團(tuán)隊(duì)最近系統(tǒng)揭示了鈦合金易發(fā)生疲勞開(kāi)裂的三類典型“疲勞短板”及其應(yīng)力比敏感區(qū)間，發(fā)現(xiàn)無(wú)微孔凈增材制造(Net-AM)組織可實(shí)現(xiàn)三類疲勞短板的協(xié)同優(yōu)化。據(jù)此，團(tuán)隊(duì)明確提出：3D打印鈦合金在全應(yīng)力比條件下仍具有天然高的抗疲勞特性。基于團(tuán)隊(duì)前期原創(chuàng)的NAMP工藝，制備出近似無(wú)微孔的Net-AM組織Ti-6Al-4V合金，并對(duì)其在不同應(yīng)力比條件下的疲勞強(qiáng)度(圖1)和疲勞開(kāi)裂機(jī)制(圖2)進(jìn)行了表征。大量數(shù)據(jù)對(duì)比分析表明：在全應(yīng)力比范圍內(nèi)，Net-AM組織Ti-6Al-4V合金的疲勞強(qiáng)度不但整體優(yōu)于所有鈦合金材料，同時(shí)其比疲勞強(qiáng)度(疲勞強(qiáng)度除以密度)也全面優(yōu)于所有金屬材料，如圖3所示。
該研究結(jié)果于2025年8月22日以題為“Naturally high fatigue performance of a 3D printing titanium alloy across all stress ratios”(“3D打印鈦合金在全應(yīng)力比條件下天然高疲勞性能”)發(fā)表于《科學(xué)進(jìn)展》(Science Advances)雜志上，中國(guó)科學(xué)院金屬研究所特別研究助理曲展博士為論文第一作者，張振軍研究員、劉睿副研究員、張哲峰研究員為論文共同通訊作者。這一成果揭示了增材制造技術(shù)制備的具有復(fù)雜拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、承受復(fù)雜載荷鈦合金構(gòu)件在抗疲勞方面的天然優(yōu)勢(shì)，為其在航空航天等領(lǐng)域作為動(dòng)載承力構(gòu)件應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。同時(shí)，該研究也為鍛造鈦合金不同應(yīng)力比下的疲勞性能優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了新的思路。
該項(xiàng)研究得到了國(guó)家自然科學(xué)創(chuàng)新研究群體項(xiàng)目(52321001)、優(yōu)秀青年基金項(xiàng)目(52322105)、重點(diǎn)項(xiàng)目(52130002)及中國(guó)科學(xué)院青促會(huì)項(xiàng)目(2021192)的資助。
圖1. 不同顯微組織類型的Ti-6Al-4V合金在不同應(yīng)力比條件下的疲勞強(qiáng)度及對(duì)應(yīng)的疲勞開(kāi)裂機(jī)制。
圖2.Net-AM組織Ti-6Al-4V合金在不同應(yīng)力比下的典型疲勞斷口和對(duì)應(yīng)的疲勞裂紋萌生機(jī)制。(A)應(yīng)力比R=-1：微孔缺陷開(kāi)裂；(B)應(yīng)力比R=-0.5：微孔缺陷開(kāi)裂；(C)應(yīng)力比R=0.1：微孔缺陷開(kāi)裂和顯微組織開(kāi)裂共存；(D)應(yīng)力比R=0.5：顯微組織開(kāi)裂；(E)應(yīng)力比變化，Net-AM組織Ti-6Al-4V合金疲勞裂紋萌生位置轉(zhuǎn)變及其對(duì)應(yīng)的疲勞強(qiáng)度變化示意圖。
圖3.與其他Ti-6Al-4V合金和常見(jiàn)的金屬結(jié)構(gòu)材料相比，Net-AM組織Ti-6Al-4V合金在不同應(yīng)力比下的疲勞強(qiáng)度分布。(A)應(yīng)力幅vs平均應(yīng)力；(B)材料密度歸一化的疲勞強(qiáng)度vs材料密度歸一化的平均應(yīng)力。
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