我国科学家研制出高抗疲劳3D打印钛合金

01:16 2024-03-06

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从中国科学院获悉,近日,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,研究成果于2月29日发表在《自然》(Nature)杂志上。

3D打印,又名增材制造,因其得天独厚的自由成形能力极大地满足了高端装备和构件对高集成性、多功能性、轻量化、一体化的需求,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。

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,发明了一种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Net-AM组织Ti-6Al-4V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)。

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。

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