8月29日，中國科學院金屬研究所透露，該所研究團隊最近研發成功一種新型3D打印（也稱增材製造）後處理技術，製造出被譽為(wei) “全能”抗疲勞的鈦合金材料，刷新了金屬材料抗疲勞世界紀錄。

這項為(wei) 3D打印技術在高精尖領域應用掃除一個(ge) 重大障礙的重要研究，由中國科學院金屬研究所張哲峰和張振軍(jun) 研究員團隊完成，相關(guan) 成果論文近日在國際學術期刊《科學進展》（Science Advances）發表。

研究團隊解釋稱，“全能”抗疲勞是指在各種應力比條件下都表現出前所未有的抗疲勞能力，即抵抗反複受力而不損壞的能力。

他們(men) 介紹說，3D打印能輕鬆製造出結構複雜、輕量化的金屬零件，這對於(yu) 追求減重和一體(ti) 化的新一代飛機、航天器等高端裝備來說極具吸引力，但長期以來，3D打印出來的金屬零件有個(ge) “硬傷(shang) ”——疲勞性能差，就是反複受力後容易產(chan) 生裂紋甚至斷裂，這嚴(yan) 重限製了其關(guan) 鍵應用。

2024年初，研究團隊發明一種淨增材製造（Net-AM preparation，NAMP）的新工藝，能精確控製材料的內(nei) 部結構和缺陷，用新工藝製備的Ti-6Al-4V（一種最常用的鈦合金）可同時消除微孔和粗大組織——兩(liang) 者都是導致疲勞的元凶。這種新材料在循環“拉-拉”應力條件下，打破了“比疲勞強度”（強度除以密度，是衡量輕質材料性能的關(guan) 鍵指標）世界紀錄，證明3D打印材料也能擁有頂級的抗疲勞能力。

不過，現實中的金屬零件如飛機發動機葉片、起落架等受力情況非常複雜，不但存在“拉-拉”也存在“拉-壓”等情況，也就是應力比在變化，而不同的應力比會(hui) 引發材料內(nei) 部不同的損壞機製。此外，傳(chuan) 統的鈦合金微觀組織結構往往“偏科”：隻在某些特定的應力比下表現出好的一麵，換了另一種應力比就可能表現不佳。這就使得製造一種能“通吃”所有工況的材料非常困難。

在本項研究中，麵對這個(ge) 更複雜的難題，研究團隊分析揭示出鈦合金中幾種容易導致疲勞開裂的薄弱環節，以及它們(men) 在哪種受力模式下會(hui) “發作”。在此基礎上，研究團隊利用NAMP工藝製造了近乎無孔洞的3D打印組織，可以同時優(you) 化所有這些薄弱環節，這種3D打印鈦合金具備在全應力比條件下都保持高疲勞強度的特性。

實驗數據表明，在不同應力比的疲勞測試中，“全能”抗疲勞鈦合金材料“比疲勞強度”全麵優(you) 於(yu) 所有金屬材料。

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製

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製

與(yu) 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