中國科學(xué)院金屬研究所研究員張哲峰團隊制備出具有高抗疲勞性能的3D打印鈦合金材料，使3D打印鈦合金疲勞強度突破世界紀錄。相關(guān)研究成果2月29日發(fā)表于《自然》。

3D打印技術(shù)是一種快速成型技術(shù)，采用激光或電子束把粉末狀金屬或塑料等可黏合材料逐層打印，以構(gòu)造物體或產(chǎn)品。已有研究發(fā)現(xiàn)，3D打印材料在循環(huán)載荷下的抗疲勞破壞的性能普遍較差，嚴重制約了其作為結(jié)構(gòu)承力件的廣泛應(yīng)用。

張哲峰告訴《中國科學(xué)報》，他們團隊認為，理想狀態(tài)下3D打印技術(shù)直接制備出的鈦合金組織，又稱Net-AM組織，本身應(yīng)該具有天然的超高疲勞性能。然而，打印過程中產(chǎn)生的氣孔等缺陷，掩蓋了組織自身的抗疲勞優(yōu)點，成為限制其實際工程應(yīng)用的短板。

傳統(tǒng)工藝通過消除氣孔等缺陷來提高材料的疲勞性能，這也是大多數(shù)研究者采取的措施。張哲峰帶領(lǐng)團隊從2019年開始研究3D打印鈦合金的疲勞性能，他們發(fā)現(xiàn)，采用熱等靜壓工藝消除打印氣孔的同時，會破壞3D打印材料的原始組織，導(dǎo)致材料疲勞性能沒有明顯提高。為此，他們提出一個創(chuàng)新思路——把經(jīng)過熱等靜壓消除氣孔的組織再處理，調(diào)整到3D打印原始組織狀態(tài)，恢復(fù)其天然高疲勞性能。然而，如何將組織調(diào)整到3D打印原始組織狀態(tài)是他們面臨的新問題。

嘗試大量不同處理工藝后，張哲峰團隊發(fā)現(xiàn)，3D打印的Ti-6Al-4V合金晶界擴散、缺陷消失和相變過程可以在不同工藝窗口實現(xiàn)。以此為基礎(chǔ)，他們發(fā)明了缺陷與組織分步調(diào)控的NAMP新工藝，最終制備出幾乎無氣孔的近Net-AM組織鈦合金。該Ti-6Al-4V合金拉-拉疲勞強度從原始打印態(tài)的475兆帕最終提升至978兆帕，疲勞強度翻倍。這種近Net-AM組織的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，具有最高的比疲勞強度（疲勞強度除以密度）。

“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，展現(xiàn)了3D打印材料作為結(jié)構(gòu)承力件在航空航天等重要領(lǐng)域的廣闊應(yīng)用前景?！睆堈芊逭f。

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-024-07048-1