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作者:张哲峰等 来源:《自然》 发布时间:2024/2/29 9:09:56
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中国科学院金属所报道3D打印钛合金超高疲劳强度

 

北京时间2024年2月29日,中国科学院金属研究所张哲峰研究员、张振军研究员、杨锐研究员与美国加州大学伯克利分校Robert O. Ritchie教授合作在Nature期刊上发表了一篇题为“High fatigue resistance in a titanium alloy via near void-free 3D printing”(近无微孔3D打印钛合金高抗疲劳性能)的研究成果。

该成果通过发明缺陷与组织分步调控的NAMP新工艺(Net-Additive Manufacturing Process),制备出几乎无气孔的近Net-AM组织Ti-6Al-4V合金,有效避免了从打印气孔、粗大板条及α相富集晶界等多种疲劳短板处开裂,展示出3D打印组织自身特有的高疲劳抗性:其拉-拉疲劳强度高达978 MPa,在目前已报道的所有材料疲劳数据中具有最高的比疲劳强度。论文第一作者为曲展,论文通讯作者为张振军、Robert O. Ritchie、张哲峰。

3D打印,又名增材制造(Additive manufacturing,AM),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。因而,3D打印材料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打印制备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。因此,如何提升3D打印材料与构件的疲劳性能是国内外学术界与工程界热切关注的焦点问题。

这项工作中,张哲峰团队首次明确提出: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,而打印过程中产生气孔等缺陷作为疲劳短板掩盖了其自身组织抗疲劳的优点,导致实际测量的3D打印材料疲劳性能往往大幅降低。因此,提升3D打印材料疲劳性能的关键在于消除打印气孔的同时,尽可能保留原始打印的组织状态。然而,目前消除气孔的工艺往往伴随组织粗化,而细化组织处理又会带来气孔复现,甚至引发易于疲劳开裂的晶界α相富集等新的不利因素,可谓进退两难。幸运的是,张哲峰团队在Ti-6Al-4V合金中首次发现:3D打印态组织在高温下相转变、晶界迁移与气孔长大过程具有异步特性;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,他们巧妙地利用了这一工艺窗口期,发明了缺陷与组织分步调控的NAMP新工艺(Net-Additive Manufacturing Process)(图1),最终制备出几乎无气孔的近Net-AM组织钛合金。

图1:打印态、Net-AM态以及其他两种典型状态3D打印Ti-6Al-4V合金组织和缺陷特征:(a)打印态;(b)热等静压(HIP)态;(c)Near-net-AM态;(d)Net-AM态。

大量疲劳实验表明这一近Net-AM组织有效避免了从打印气孔、粗大板条及α相富集晶界等多种疲劳短板处开裂(图2),充分展示出3D打印组织自身所特有的高疲劳抗性:其拉-拉疲劳强度从原始态的475 MPa提升至978 MPa,增幅高达106%(图3)。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)。

图2:不同组织Ti-6Al-4V合金疲劳裂纹萌生典型位置。(a)疲劳裂纹萌生位置表征的尖角逐层磨抛方法示意图;(b)Net-AM状态;(c)HIP状态:(d)Near net-AM状态。Net-AM状态的疲劳裂纹均从干净的初生β晶界(PBGBs)处萌生,成功避免了从缺陷和粗大组织开裂。

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图3:该研究工作制备的Net-AM组织Ti-6Al-4V合金疲劳性能(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比疲劳强度对比。Net-AM组织钛合金不仅在所有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。

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。(来源:科学网)

相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41586-024-07048-1

 
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