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3D打印，又名增材制造，因其在復雜金屬構(gòu)件上得天獨厚的自由成形能力，一定程度上滿足了新一代航空裝備對輕量化、高集成度的重大需求，有望替代傳統(tǒng)制造方法，實現(xiàn)高端裝備關(guān)鍵構(gòu)件的智能制造。但長期以來，這一應(yīng)用前景受制于增材制造材料及構(gòu)件普遍較差的疲勞性能。此前，中國科學院金屬研究所科研人員提出了組織與缺陷耦合調(diào)控的NAMP工藝，成功制備出具有超高拉-拉疲勞性能的近無微孔3D打印Ti-6Al-4V合金材料，突破了所有材料拉-拉比疲勞強度世界紀錄，更新了學界對3D打印材料疲勞性能不高的固有認識。

然而，實際工程構(gòu)件的服役環(huán)境通常伴隨著加載應(yīng)力比的顯著變化。當材料或構(gòu)件承受的外部應(yīng)力比變化時，循環(huán)應(yīng)力幅值和最大應(yīng)力分配比例也隨之改變，進而誘發(fā)不同疲勞開裂機制之間的轉(zhuǎn)變。這種“此消彼長”的開裂規(guī)律使傳統(tǒng)鈦合金組織難以在全應(yīng)力比范圍內(nèi)均保持優(yōu)異的疲勞性能，且一種顯微組織類型往往僅在特定應(yīng)力比范圍內(nèi)表現(xiàn)出抗疲勞優(yōu)勢。對于具有復雜結(jié)構(gòu)的增材制造構(gòu)件，其實際服役過程中的應(yīng)力分布更復雜，且會承受具有多變應(yīng)力比的疲勞載荷。因此，如何實現(xiàn)全應(yīng)力比條件下的高抗疲勞能力是決定增材制造技術(shù)能否在航空航天等領(lǐng)域規(guī)?；瘧?yīng)用的關(guān)鍵，也是亟待解決的科學難題之一。

針對上述問題，該研究系統(tǒng)揭示了鈦合金易發(fā)生疲勞開裂的三類典型“疲勞短板”及其應(yīng)力比敏感區(qū)間，發(fā)現(xiàn)了無微孔凈增材制造（Net-AM）組織可實現(xiàn)三類疲勞短板的協(xié)同優(yōu)化。同時，研究人員提出，3D打印鈦合金在全應(yīng)力比條件下仍具有天然高的抗疲勞特性。進一步，基于團隊前期原創(chuàng)的NAMP工藝，研究人員制備出近似無微孔的Net-AM組織Ti-6Al-4V合金，并對其在不同應(yīng)力比條件下的疲勞強度和疲勞開裂機制進行了表征。大量數(shù)據(jù)對比分析表明，在全應(yīng)力比范圍內(nèi)，Net-AM組織Ti-6Al-4V合金的疲勞強度整體優(yōu)于所有鈦合金材料，且其比疲勞強度（疲勞強度除以密度）也全面優(yōu)于所有金屬材料。

這一研究揭示了增材制造技術(shù)制備的具有復雜拓撲結(jié)構(gòu)、承受復雜載荷鈦合金構(gòu)件在抗疲勞方面的天然優(yōu)勢，為其作為動載承力構(gòu)件在航空航天等領(lǐng)域應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。同時，該研究為鍛造鈦合金不同應(yīng)力比下的疲勞性能優(yōu)化設(shè)計提供了新思路。

近期，相關(guān)研究成果以Naturally high fatigue performance of a 3D printing titanium alloy across all stress ratios為題，發(fā)表在《科學進展》（Science Advances）上。研究工作得到國家自然科學基金委員會、中國科學院的支持。

論文鏈接

不同顯微組織類型的Ti-6Al-4V合金在不同應(yīng)力比條件下的疲勞強度及對應(yīng)的疲勞開裂機制

Net-AM組織Ti-6Al-4V合金在不同應(yīng)力比下的典型疲勞斷口和對應(yīng)的疲勞裂紋萌生機制

與其他Ti-6Al-4V合金和常見的金屬結(jié)構(gòu)材料相比，Net-AM組織Ti-6Al-4V合金在不同應(yīng)力比下的疲勞強度分布