3D打印，又名增材制造，因其在復雜金屬構件上得天獨厚的自由成形能力，一定程度上滿足了新一代航空裝備對輕量化、高集成度的重大需求，有望替代傳統制造方法，實現高端裝備關鍵構件的智能制造。但長期以來，這一應用前景受制于增材制造材料及構件普遍較差的疲勞性能。此前，中國科學院金屬研究所科研人員提出了組織與缺陷耦合調控的NAMP工藝，成功制備出具有超高拉-拉疲勞性能的近無微孔3D打印Ti-6Al-4V合金材料，突破了所有材料拉-拉比疲勞強度世界紀錄，更新了學界對3D打印材料疲勞性能不高的固有認識。
然而，實際工程構件的服役環境通常伴隨著加載應力比的顯著變化。當材料或構件承受的外部應力比變化時，循環應力幅值和最大應力分配比例也隨之改變，進而誘發不同疲勞開裂機制之間的轉變。這種“此消彼長”的開裂規律使傳統鈦合金組織難以在全應力比范圍內均保持優異的疲勞性能，且一種顯微組織類型往往僅在特定應力比范圍內表現出抗疲勞優勢。對于具有復雜結構的增材制造構件，其實際服役過程中的應力分布更復雜，且會承受具有多變應力比的疲勞載荷。因此，如何實現全應力比條件下的高抗疲勞能力是決定增材制造技術能否在航空航天等領域規模化應用的關鍵，也是亟待解決的科學難題之一。
針對上述問題，該研究系統揭示了鈦合金易發生疲勞開裂的三類典型“疲勞短板”及其應力比敏感區間，發現了無微孔凈增材制造（Net-AM）組織可實現三類疲勞短板的協同優化。同時，研究人員提出，3D打印鈦合金在全應力比條件下仍具有天然高的抗疲勞特性。進一步，基于團隊前期原創的NAMP工藝，研究人員制備出近似無微孔的Net-AM組織Ti-6Al-4V合金，并對其在不同應力比條件下的疲勞強度和疲勞開裂機制進行了表征。大量數據對比分析表明，在全應力比范圍內，Net-AM組織Ti-6Al-4V合金的疲勞強度整體優于所有鈦合金材料，且其比疲勞強度（疲勞強度除以密度）也全面優于所有金屬材料。
這一研究揭示了增材制造技術制備的具有復雜拓撲結構、承受復雜載荷鈦合金構件在抗疲勞方面的天然優勢，為其作為動載承力構件在航空航天等領域應用奠定基礎。同時，該研究為鍛造鈦合金不同應力比下的疲勞性能優化設計提供了新思路。
近期，相關研究成果以Naturally high fatigue performance of a 3D printing titanium alloy across all stress ratios為題，發表在《科學進展》（Science Advances）上。研究工作得到國家自然科學基金委員會、中國科學院的支持。
論文鏈接
不同顯微組織類型的Ti-6Al-4V合金在不同應力比條件下的疲勞強度及對應的疲勞開裂機制
Net-AM組織Ti-6Al-4V合金在不同應力比下的典型疲勞斷口和對應的疲勞裂紋萌生機制
與其他Ti-6Al-4V合金和常見的金屬結構材料相比，Net-AM組織Ti-6Al-4V合金在不同應力比下的疲勞強度分布
本文鏈接：3D打印鈦合金全應力比疲勞強度刷新紀錄http://www.sq15.cn/show-12-1676-0.html
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