3D打印钛合金全应力比疲劳强度刷新纪录

3D打印，又名增材制造，因其在复杂金属构件上得天独厚的自由成形能力，一定程度上满足了新一代航空装备对轻量化、高集成度的重大需求，有望替代传统制造方法，实现高端装备关键构件的智能制造。但长期以来，这一应用前景受制于增材制造材料及构件普遍较差的疲劳性能。此前，中国科学院金属研究所科研人员提出了组织与缺陷耦合调控的NAMP工艺，成功制备出具有超高拉-拉疲劳性能的近无微孔3D打印Ti-6Al-4V合金材料，突破了所有材料拉-拉比疲劳强度世界纪录，更新了学界对3D打印材料疲劳性能不高的固有认识。

然而，实际工程构件的服役环境通常伴随着加载应力比的显著变化。当材料或构件承受的外部应力比变化时，循环应力幅值和最大应力分配比例也随之改变，进而诱发不同疲劳开裂机制之间的转变。这种“此消彼长”的开裂规律使传统钛合金组织难以在全应力比范围内均保持优异的疲劳性能，且一种显微组织类型往往仅在特定应力比范围内表现出抗疲劳优势。对于具有复杂结构的增材制造构件，其实际服役过程中的应力分布更复杂，且会承受具有多变应力比的疲劳载荷。因此，如何实现全应力比条件下的高抗疲劳能力是决定增材制造技术能否在航空航天等领域规模化应用的关键，也是亟待解决的科学难题之一。

针对上述问题，该研究系统揭示了钛合金易发生疲劳开裂的三类典型“疲劳短板”及其应力比敏感区间，发现了无微孔净增材制造（Net-AM）组织可实现三类疲劳短板的协同优化。同时，研究人员提出，3D打印钛合金在全应力比条件下仍具有天然高的抗疲劳特性。进一步，基于团队前期原创的NAMP工艺，研究人员制备出近似无微孔的Net-AM组织Ti-6Al-4V合金，并对其在不同应力比条件下的疲劳强度和疲劳开裂机制进行了表征。大量数据对比分析表明，在全应力比范围内，Net-AM组织Ti-6Al-4V合金的疲劳强度整体优于所有钛合金材料，且其比疲劳强度（疲劳强度除以密度）也全面优于所有金属材料。

这一研究揭示了增材制造技术制备的具有复杂拓扑结构、承受复杂载荷钛合金构件在抗疲劳方面的天然优势，为其作为动载承力构件在航空航天等领域应用奠定基础。同时，该研究为锻造钛合金不同应力比下的疲劳性能优化设计提供了新思路。

近期，相关研究成果以Naturally high fatigue performance of a 3D printing titanium alloy across all stress ratios为题，发表在《科学进展》（Science Advances）上。研究工作得到国家自然科学基金委员会、中国科学院的支持。

论文链接

不同显微组织类型的Ti-6Al-4V合金在不同应力比条件下的疲劳强度及对应的疲劳开裂机制

Net-AM组织Ti-6Al-4V合金在不同应力比下的典型疲劳断口和对应的疲劳裂纹萌生机制

与其他Ti-6Al-4V合金和常见的金属结构材料相比，Net-AM组织Ti-6Al-4V合金在不同应力比下的疲劳强度分布