中国科研团队成功研制出抗疲劳性能的3D打印钛合金

中国科学院金属研究所的张哲峰团队最近成功地制备出了一种高抗疲劳性能的3D打印钛合金材料。这篇重要的材料研究和应用成果论文题为“近无微孔3D打印钛合金高抗疲劳性能”，于北京时间2月29日凌晨在国际著名学术期刊《自然》上发表。 共同通讯作者张哲峰研究员介绍说，3D打印技术以其得天独厚的自由成形能力非常适合制造高端装备和构件，满足高集成性、多功能性、轻量化和一体化等需求。它被认为是制造领域的颠覆性技术，在航空航天等领域获得了极大的关注和初步应用。与传统制造技术相比，3D打印材料在循环载荷下的疲劳性能普遍较差，这严重制约了其作为结构承力件的广泛应用。 研究团队认为，在理想状态下，3D打印技术直接制备的钛合金组织本身应该具有天然的超高疲劳性能。打印过程中产生的气孔等缺陷掩盖了其自身组织的抗疲劳优点，导致实际测量的3D打印材料的疲劳性能大幅降低。目前，消除气孔的工艺往往伴随着组织粗化，而细化组织的处理又会带来气孔复现，甚至引发晶界α相富集等新的不利因素，可谓进退两难。 在这项研究中，研究团队首次发现，在钛六铝四钒(Ti-6Al-4V)合金中，高温下3D打印的组织结构晶界迁移、气孔扩大和相变过程表现出异步的特性。通过采用优化的打印参数、熔化池控制和热处理等工艺手段，研究团队成功地制备出了具有高抗疲劳性能的3D打印钛合金材料。

这意味着，存在一个宝贵的热处理工艺窗口，既可实现板条组织细化，又能有效抑制晶界α相富集及气孔复现。

基于此，研究团队巧妙利用了该工艺窗口，发明了缺陷与组织分步调控的新工艺，最终制备出几乎无气孔的近钛合金组织钛六铝四钒合金。

其拉-拉疲劳强度从原始态的475兆帕提升至978兆帕，增幅高达106%。

通过对比发现，这种近钛合金组织钛六铝四钒合金不仅在所有钛合金材料中具有最高的拉-拉疲劳强度，而且在目前已知的材料疲劳数据中，还具有最高的比疲劳强度(疲劳强度除以密度)。

张哲峰表示，这项研究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，揭示出3D打印技术在抗疲劳制造方面的独特优势，并展现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。(完)