中国科学院金属研究所研究员张哲峰团队制备出具有高抗疲劳性能的3D打印钛合金材料，使3D打印钛合金疲劳强度突破世界纪录。相关研究成果2月29日发表于《自然》。
3D打印技术是一种快速成型技术，采用激光或电子束把粉末状金属或塑料等可黏合材料逐层打印，以构造物体或产品。已有研究发现，3D打印材料在循环载荷下的抗疲劳破坏的性能普遍较差，严重制约了其作为结构承力件的广泛应用。
张哲峰告诉《中国科学报》，他们团队认为，理想状态下3D打印技术直接制备出的钛合金组织，又称Net-AM组织，本身应该具有天然的超高疲劳性能。然而，打印过程中产生的气孔等缺陷，掩盖了组织自身的抗疲劳优点，成为限制其实际工程应用的短板。
传统工艺通过消除气孔等缺陷来提高材料的疲劳性能，这也是大多数研究者采取的措施。张哲峰带领团队从2019年开始研究3D打印钛合金的疲劳性能，他们发现，采用热等静压工艺消除打印气孔的同时，会破坏3D打印材料的原始组织，导致材料疲劳性能没有明显提高。为此，他们提出一个创新思路——把经过热等静压消除气孔的组织再处理，调整到3D打印原始组织状态，恢复其天然高疲劳性能。然而，如何将组织调整到3D打印原始组织状态是他们面临的新问题。
尝试大量不同处理工艺后，张哲峰团队发现，3D打印的Ti-6Al-4V合金晶界扩散、缺陷消失和相变过程可以在不同工艺窗口实现。以此为基础，他们发明了缺陷与组织分步调控的NAMP新工艺，最终制备出几乎无气孔的近Net-AM组织钛合金。该Ti-6Al-4V合金拉-拉疲劳强度从原始打印态的475兆帕最终提升至978兆帕，疲劳强度翻倍。这种近Net-AM组织的Ti-6Al-4V合金不仅在所有钛合金材料中具有最高的拉-拉疲劳强度，而且在目前已报道的材料疲劳数据中，具有最高的比疲劳强度（疲劳强度除以密度）。
“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。”张哲峰说。
相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-024-07048-1
（原载于《中国科学报》 2024-02-29 第1版 要闻）
| 