中国网/中国发展门户网讯 3D打印被认为是制造领域的颠覆性技术，在航空航天等领域得到极大关注和初步应用。然而，与传统制造技术相比，3D打印的材料在循环载荷下的疲劳性能普遍较差，严重制约了其作为结构承力件的广泛应用。近期，中国科学院金属研究所张哲峰团队制备出具有高抗疲劳性能的3D打印钛合金材料。该项研究成果于2024年2月29日发表在《自然》杂志上。

据了解，研究人员首次明确提出，理想状态下3D打印技术直接制备出的钛合金组织本身（称为Net-AM组织）应具有天然的超高疲劳性能，而打印过程中产生的气孔等缺陷掩盖了其自身组织抗疲劳的优点，导致实际测量的3D打印材料疲劳性能大幅降低。然而，目前消除气孔的工艺往往伴随组织粗化，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。

研究人员在Ti-6Al-4V合金中首次发现，高温下3D打印态组织的晶界迁移及气孔长大与相转变过程表现出异步的特性。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。为此，研究人员巧妙地利用了这一工艺窗口，发明了缺陷与组织分步调控的NAMP新工艺（Net-Additive Manufacturing Process），最终制备出几乎无气孔的近Net-AM组织 Ti-6Al-4V合金。其拉-拉疲劳强度从原始态的475 MPa提升至 978 MPa，增幅高达106%。通过对比发现，这种近Net-AM组织Ti-6Al-4V合金不仅在所有钛合金材料中具有最高的拉-拉疲劳强度，而且在目前已报道的材料疲劳数据中，还具有最高的比疲劳强度（疲劳强度除以密度）。

本研究工作制备的Net-AM组织钛合金的疲劳性能（R=0.1）：（a） Net-AM组织钛合金拉-拉疲劳强度与增材和锻造钛合金疲劳强度对比；（b）Net-AM组织钛合金与其他材料的比疲劳强度对比。Net-AM组织钛合金不仅在钛合金中具有最高的疲劳强度，而且在所有材料中表现出最高的比疲劳强度。

据悉，这项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，揭示了3D打印技术在抗疲劳制造方面的独特优势，展现了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。