8月29日，中國科學院金屬研究所透露，該所研究團隊最近研發(fā)成功一種新型3D打印（也稱增材制造）后處理技術，制造出被譽為“全能”抗疲勞的鈦合金材料，刷新了金屬材料抗疲勞世界紀錄。
這項為3D打印技術在高精尖領域應用掃除一個重大障礙的重要研究，由中國科學院金屬研究所張哲峰和張振軍研究員團隊完成，相關成果論文近日在國際學術期刊《科學進展》（Science Advances）發(fā)表。
研究團隊解釋稱，“全能”抗疲勞是指在各種應力比條件下都表現(xiàn)出前所未有的抗疲勞能力，即抵抗反復受力而不損壞的能力。
他們介紹說，3D打印能輕松制造出結構復雜、輕量化的金屬零件，這對于追求減重和一體化的新一代飛機、航天器等高端裝備來說極具吸引力，但長期以來，3D打印出來的金屬零件有個“硬傷”——疲勞性能差，就是反復受力后容易產(chǎn)生裂紋甚至斷裂，這嚴重限制了其關鍵應用。
2024年初，研究團隊發(fā)明一種凈增材制造（Net-AM preparation，NAMP）的新工藝，能精確控制材料的內(nèi)部結構和缺陷，用新工藝制備的Ti-6Al-4V（一種最常用的鈦合金）可同時消除微孔和粗大組織——兩者都是導致疲勞的元兇。這種新材料在循環(huán)“拉-拉”應力條件下，打破了“比疲勞強度”（強度除以密度，是衡量輕質材料性能的關鍵指標）世界紀錄，證明3D打印材料也能擁有頂級的抗疲勞能力。
不過，現(xiàn)實中的金屬零件如飛機發(fā)動機葉片、起落架等受力情況非常復雜，不但存在“拉-拉”也存在“拉-壓”等情況，也就是應力比在變化，而不同的應力比會引發(fā)材料內(nèi)部不同的損壞機制。此外，傳統(tǒng)的鈦合金微觀組織結構往往“偏科”：只在某些特定的應力比下表現(xiàn)出好的一面，換了另一種應力比就可能表現(xiàn)不佳。這就使得制造一種能“通吃”所有工況的材料非常困難。
在本項研究中，面對這個更復雜的難題，研究團隊分析揭示出鈦合金中幾種容易導致疲勞開裂的薄弱環(huán)節(jié)，以及它們在哪種受力模式下會“發(fā)作”。在此基礎上，研究團隊利用NAMP工藝制造了近乎無孔洞的3D打印組織，可以同時優(yōu)化所有這些薄弱環(huán)節(jié)，這種3D打印鈦合金具備在全應力比條件下都保持高疲勞強度的特性。
實驗數(shù)據(jù)表明，在不同應力比的疲勞測試中，“全能”抗疲勞鈦合金材料“比疲勞強度”全面優(yōu)于所有金屬材料。
不同顯微組織類型的Ti-6Al-4V合金在不同應力比條件下的疲勞強度及對應的疲勞開裂機制
Net-AM組織Ti-6Al-4V合金在不同應力比下的典型疲勞斷口和對應的疲勞裂紋萌生機制
與其他Ti-6Al-4V合金和常見的金屬結構材料相比，Net-AM組織Ti-6Al-4V合金在不同應力比下的疲勞強度分布
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