我国研发全球首个3D打印全能抗疲劳钛合金材料

9月2日资讯，据相关媒体报道，中国科学院金属研究所近日成功研发出一种创新的3D打印后处理工艺，通过该技术制备的钛合金材料具备全面卓越的抗疲劳特性，其性能指标刷新了全球金属材料疲劳抗性的纪录。

这项具有里程碑意义的研究由该所张哲峰与张振军研究员领衔的团队完成，相关科研成果已发表于国际权威学术期刊《科学进展》。该技术成功攻克了3D打印在高端应用领域的一大技术瓶颈——即打印构件疲劳性能不足的难题。

3D打印技术凭借其出色的复杂结构成型能力与轻量化优势，在新一代航空飞行器、航天装备等高端制造领域展现出巨大潜力。然而，传统3D打印金属零部件存在显著缺陷：在循环载荷作用下易产生疲劳裂纹乃至断裂，这严重制约了其在关键承力部件中的应用。

研究中提出的“全能”抗疲劳特性，是指材料在不同应力工况下均能保持优异的抗疲劳性能，即在反复受力过程中抵抗破坏的能力。

今年初，该科研团队创新开发出名为“净增材制造”（Net-AM preparation，NAMP）的新型工艺，该技术能够精确调控材料内部微观结构与缺陷分布。采用此工艺制备的常用钛合金Ti-6Al-4V，成功消除了材料内部的微孔洞与粗大晶粒组织——这两类缺陷正是引发疲劳破坏的主要诱因。在拉伸-拉伸循环应力测试中，新材料的“比疲劳强度”（即强度与密度之比，是评估轻质材料疲劳性能的核心指标）创下世界新高，首次证实3D打印材料同样能实现顶尖水平的抗疲劳性能。

在实际应用场景中，飞机发动机叶片、起落架等关键部件往往承受复杂多变的载荷条件，既包含拉伸-拉伸状态，也涉及拉伸-压缩等多种应力模式。传统钛合金的微观组织通常仅在特定应力条件下表现优异。研究团队通过系统性分析，精准识别出钛合金中多种易引发疲劳裂纹的薄弱结构及其激活条件，并利用NAMP工艺制备出近乎无缺陷的3D打印组织，同步优化了所有薄弱环节，使材料在全应力谱系下均能保持出色的疲劳强度。

实验结果表明，这种具备全面抗疲劳特性的钛合金在不同应力比的疲劳测试中，“比疲劳强度”全面超越现有所有金属材料，展现出前所未有的综合性能表现。