中科院沈阳金属研究所,2024年首篇Nature

发布网友发布时间：2024-10-23 17:28

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热心网友时间：2024-11-02 00:21

在当今世界，增材制造（AM），也称为3D打印，已经成为科学界关注的焦点。尽管其设计灵活性和材料节约能力令人印象深刻，尤其是对于钛（Ti）合金这一关键材料，它因昂贵的价格和较低的可加工性而受到青睐。然而，这一技术的应用受到其疲劳性能的限制。疲劳性能是结构组件设计的关键指标，而3D打印的微孔洞导致的较差疲劳性能一直是其应用的瓶颈。消除这些微孔洞，以显著提高无孔洞AM（Net-AM）合金的抗疲劳性能，成为研究者们的课题。

美国加州大学伯克利分校的Robert O. Ritchie、中国科学院沈阳金属研究所与中国科学技术大学的张振军、张哲峰等研究者通过深入理解相变和晶粒生长的不同步性，成功开发了Net-AM加工技术。这一技术在Ti-6Al-4V钛合金中重建了接近无孔洞的AM组织，相关研究成果以“通过无空洞3D打印实现钛合金高疲劳抵抗力”为题，于2024年2月28日发表在Nature上。

AM技术的高设计自由度和低材料浪费特性，对科学界产生了深远影响，尤其在钛合金领域。然而，由于疲劳性能是结构构件设计的关键准则，较低的疲劳抗力阻碍了AM技术的大规模应用。传统观点认为，直接从具有极高冷却速度的熔池中获得的AM微观组织除了微孔洞外，有助于降低抗疲劳性能。近来，研究发现AM Ti合金的疲劳性能可以通过组织调整得到改善，这加深了对AM组织的偏见。

尽管如此，一些线索表明，这可能并不简单，可能有隐藏因素在起作用。研究者之前的研究表明，微观组织是耦合的，微孔洞的存在对疲劳性能的影响，因此上述疲劳性能的提升可能源于耦合作用的改善，而不是微观组织的直接改善。

从钛合金疲劳损伤机制的角度看，具有超细板条、弱α′/α变体选择、干净的先验-β晶界（PBGBs）以及强度与塑性的良好结合等特征的AM组织，应表现出优异的抗疲劳性能。因此，AM钛合金基体的自然高抗疲劳性能可能被微孔洞的存在所掩盖。阐明这一问题对于AM技术的发展至关重要，因为如果AM微观结构本身自然抗疲劳性较差，那么消除微孔洞的努力将徒劳。

为了解决这一挑战，研究者们通过不断尝试，开发了一种精心优化的后处理工艺——Net-AM处理（NAMP）技术，以实现重建无孔洞AM微结构的目标。该技术成功消除了“打印”状态下的所有危险的缺乏融合的空洞，显著抑制了微孔洞的再次出现，并保持了棋盘式PBGB形态和超细层次板条的印刷状态特征。此外，NAMP技术有效地避免了在PBGBs附近富集的锯齿状α相，显著提高了AM组织的抗疲劳性能。

研究结果表明，通过NAMP技术处理，Ti-6Al-4V合金的组织与AMed组织越接近，疲劳性能越好。最终，Net-AM微观结构提供了最高的抗疲劳性能。这一发现不仅为钛合金的增材制造提供了实际应用意义，还为追求最佳疲劳性能的发展方向提供了新的研究方向。消除微孔洞并优化其他外部因素，如表面粗糙度，将促进无空洞AM（Net-AM）显微组织的高抗疲劳性能在航空航天等未来承载部件的结构应用。

总的来说，本研究不仅揭示了增材制造金属材料在工程领域巨大的潜力，还为当前调幅技术提供了一些新的研究方向。无孔洞AM显微组织的高抗疲劳性能不仅适用于钛合金，还应该推广到其他金属材料体系。因为快速凝固产生的超细AM组织能够有效地消除疲劳损伤的局部化聚集，从而提高材料的抗疲劳性能。