中國科學(xué)家研制出“抗疲勞”3D打印鈦合金

記者從中國科學(xué)院獲悉，近日，中國科學(xué)院金屬研究所張哲峰團(tuán)隊制備出具有高抗疲勞性能的3D打印鈦合金材料，研究成果于2月29日發(fā)表在《自然》（Nature）雜志上。

3D打印，又名增材制造，因其得天獨厚的自由成形能力極大地滿足了高端裝備和構(gòu)件對高集成性、多功能性、輕量化、一體化的需求，被認(rèn)為是制造領(lǐng)域的顛覆性技術(shù)，在航空航天等領(lǐng)域得到極大關(guān)注和初步應(yīng)用。然而，與傳統(tǒng)制造技術(shù)相比，3D打印的材料在循環(huán)載荷下的疲勞性能普遍較差，嚴(yán)重制約了其作為結(jié)構(gòu)承力件的廣泛應(yīng)用。

研究人員*明確提出：理想狀態(tài)下3D打印技術(shù)直接制備出的鈦合金組織本身（稱為Net-AM組織）應(yīng)具有天然的超高疲勞性能，而打印過程中產(chǎn)生的氣孔等缺陷掩蓋了其自身組織抗疲勞的優(yōu)點，導(dǎo)致實際測量的3D打印材料疲勞性能大幅降低。然而，目前消除氣孔的工藝往往伴隨組織粗化，而細(xì)化組織的處理又會帶來氣孔復(fù)現(xiàn)，甚至引發(fā)晶界α相富集等新的不利因素，可謂進(jìn)退兩難。

研究人員在Ti-6Al-4V合金中*發(fā)現(xiàn)，高溫下3D打印態(tài)組織的晶界遷移及氣孔長大與相轉(zhuǎn)變過程表現(xiàn)出異步的特性。這意味著，存在一個寶貴的熱處理工藝窗口，既可實現(xiàn)板條組織細(xì)化，又能有效抑制晶界α相富集及氣孔復(fù)現(xiàn)。為此，研究人員巧妙地利用了這一工藝窗口，發(fā)明了一種缺陷與組織分步調(diào)控的新工藝，*終制備出幾乎無氣孔的近Net-AM組織Ti-6Al-4V合金。其拉-拉疲勞強(qiáng)度從原始態(tài)的475兆帕提升至978兆帕，增幅高達(dá)106%。

通過對比發(fā)現(xiàn)，這種近Net-AM組織Ti-6Al-4V合金不僅在所有鈦合金材料中具有*高的拉-拉疲勞強(qiáng)度，而且在目前已報道的材料疲勞數(shù)據(jù)中，還具有*高的比疲勞強(qiáng)度（疲勞強(qiáng)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(rèn)識，揭示了3D打印技術(shù)在抗疲勞制造方面的獨特優(yōu)勢，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。

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