我国新型3D打印“全能”抗疲劳钛合金刷新世界纪录

快科技9月2日消息，据媒体报道，中国科学院金属研究所近期成功研发出一种新型3D打印后处理技术，制备出拥有“全能”抗疲劳性能的钛合金材料，刷新了金属材料抗疲劳性能的世界纪录。

这项具有突破性的研究是由该所张哲峰与张振军研究员团队完成的，相关成果论文已发表在国际知名学术期刊《Science Advances》上。该技术为3D打印在高精尖领域的应用扫除了一个关键障碍，也就是打印件疲劳性能较差的问题。

3D打印技术凭借其能够轻松制造复杂、轻量化金属构件的能力，在新一代飞机、航天器等高端装备中具有极大的应用潜力。不过，传统3D打印金属零件存在明显的短板，在反复受力后容易产生裂纹甚至断裂，这严重限制了其在关键承压场景下的使用。

研究中提到的“全能”抗疲劳，指的是材料在各种应力比条件下都能表现出卓越的抗疲劳性能，也就是能够抵抗循环载荷而不发生破坏。

2024年初，该团队发明了一种名为“净增材制造”（Net - AM preparation，NAMP）的新工艺，能够精确控制材料内部结构及缺陷。利用该工艺制备的常用钛合金Ti - 6Al - 4V，成功同时消除了微孔和粗大组织，而这两者正是引发疲劳破坏的主要因素。新材料在“拉 - 拉”循环应力条件下，其“比疲劳强度”（强度与密度之比，是评价轻质材料疲劳性能的关键指标）打破了世界纪录，首次证明3D打印材料也可以具备顶尖抗疲劳能力。

在现实中，像飞机发动机叶片、起落架等部件受力情况复杂，不仅存在“拉 - 拉”状态，还包括“拉 - 压”等多变应力比条件，而传统钛合金微观组织往往只在特定应力比下表现良好。研究团队通过系统分析，识别出钛合金中多种易导致疲劳裂纹的薄弱结构及其激活条件，并利用NAMP工艺制备出几乎无孔洞的3D打印组织，同时优化了所有这些薄弱环节，使材料能够在全应力比条件下都保持高疲劳强度。

实验数据表明，这种“全能”抗疲劳钛合金在不同应力比的疲劳测试中，“比疲劳强度”全面超越了已知的所有金属材料，展现出前所未有的综合性能。

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