中科院金属所今日《Nature》:3D打印抗疲劳钛合金突破性进展!

发布网友发布时间：2024-04-28 14:55

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热心网友时间：2024-04-30 12:10

在制造领域的革命性技术——3D打印，因其卓越的自由成形能力，正在逐步改变高端装备和构件的设计范式。然而，尽管备受瞩目，3D打印材料在循环载荷下的疲劳性能问题始终是阻碍其广泛应用的一道难题。近日，中国科学院金属研究所的材料疲劳与断裂研究团队，由张哲峰研究员领军，携手轻质高强材料研究部杨锐研究员团队，取得了显著突破，为3D打印钛合金抗疲劳性能的提升开辟了新纪元。

在一篇于2024年2月29日发表在国际知名期刊Nature上的论文中，研究人员揭示了“High fatigue resistance in a titanium alloy via near void-free 3D printing”这一重要发现。博士研究生曲展作为论文的第一作者，张振军研究员、美国加州大学伯克利分校的Robert O. Ritchie教授和张哲峰研究员共同担任通讯作者，为这一重大成果提供了深度洞察。这篇论文的发表标志着在消除3D打印材料疲劳短板上取得了关键性进展。

传统上，3D打印钛合金的疲劳性能受限于其内部的气孔和缺陷，这些缺陷掩盖了其潜在的优异性能。研究人员首次提出，理想的3D打印钛合金组织在设计之初就应该具有卓越的疲劳特性。他们发现，通过巧妙利用高温下晶界迁移和气孔生长的异步特性，发明了名为NAMP的新工艺，成功制备出几乎无气孔的近Net-AM钛合金，显著提升了疲劳性能。

实验数据显示，这种近Net-AM钛合金表现出前所未有的高疲劳抗性：拉-拉疲劳强度从最初的475 MPa提升至978 MPa，增长幅度惊人，达到106%。对比显示，它在所有钛合金材料中拥有最高的拉-拉疲劳强度，并且在比疲劳强度（疲劳强度与密度的比值）方面同样超越了现有记录。这一突破性成果颠覆了人们对3D打印材料疲劳性能的固有认知，揭示了其在抗疲劳制造领域的巨大潜力。

这一科研成果得到了包括国家自然科学基金创新研究群体、优秀青年基金、重点基金、叶企孙联合基金、中国科学院国际合作项目以及中国科学院青年促进会等多个项目的资助。通过深入研究，研究人员揭示了3D打印技术在航空航天等关键领域的广阔应用前景，尤其是作为结构承力件的使用潜力。

图1展示了打印态、NAMP态以及典型状态下的3D打印钛合金组织和缺陷特征，显示出NAMP工艺的独特优势。图2和图3则详细展示了疲劳裂纹的萌生位置和性能对比，进一步证明了近Net-AM组织钛合金的卓越疲劳抗性。

这一里程碑式的成果，不仅代表了中国科学院金属研究所科研团队在3D打印材料领域的重大突破，也预示着未来在高性能材料制造领域将会有更多创新和突破。让我们期待这一技术在更多领域的应用，为全球工业界带来更高效、更耐用的产品设计解决方案。