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3D 打印技术实现钛合金的高抗疲劳性

三维打印技术（即结构材料的增材制造（AM））以其高度的设计自由度和低材料浪费率给科学界留下了深远影响，特别是对于昂贵且在传统制造过程中难以加工的钛（Ti）合金来说尤其重要。然而，抗疲劳性能的不足限制了AM技术的广泛应用，因为疲劳性能是结构部件设计的关键标准。疲劳性能差的常见原因似乎是目前的打印工艺过程中存在微空洞。因此，作者提出的问题是，消除这些微空洞能否为显著提高无空洞调制（Net-AM）合金的抗疲劳性能提供可行的解决方案。

在这里，中国科学院金属研究所张哲峰研究员、张振军研究员联合美国加州大学伯克利分校Robert O. Ritchie教授通过了解相变和晶粒生长的非同步性，开发了一种净AM加工技术，成功地在Ti-6Al-4V钛合金中重建了近似无空隙AM微观结构。作者确定了这种 AM 微结构的抗疲劳性，并表明它们能达到约 1 GPa 的高疲劳极限，超过了所有 AM 和锻造钛合金以及其他金属材料的抗疲劳性。作者证实了 Net-AM 微结构的高抗疲劳性，以及 AM 加工在生产具有最大疲劳强度的结构部件方面的潜在优势，这有利于 AM 技术在工程领域的进一步应用。相关成果以“High fatigue resistance in a titanium alloy via near-void-free 3D printing”为题发表在《Nature》上，第一作者为博士生曲展。

目前的 AM 工艺无法完全消除印刷微空洞（图 1a），而且用于消除此类微空洞的几种后处理方法都会降低 AM 微结构的独特性。不仅 β 晶粒内的板条变粗，而且独特的分层针状形态也变得支离破碎（图 1b）。为了实现重建无空隙 AM 微结构的最初目标，作者开发出了一种后处理工艺，即净 AM 处理（NAMP）技术。根据准原位 X 射线层析成像图（图 1a和 1d ），"打印 "状态下所有缺乏熔合空洞都被消除了；经过 NAMP 处理后，即使再次出现的微空洞也被显著抑制。事实上，NAMP 技术成功地保持了压印状态下的棋盘状 PBG 形态和超细分层板条（图 1d）。由于短期隔热和快速冷却显著抑制了元素的扩散和偏析，因此有效避免了在 PBGB 附近富集的锯齿状 α（图 1d 右下方）。

图 1：打印状态和其他三种状态的微孔分布和微观结构

作者首先评估了单轴拉伸性能，如图 2a 所示。HIP + STA（热等静压耦合溶液处理和老化） 状态显示了强度和塑性的适度匹配。使用 NAMP 恢复精细均匀的棋盘式 PBG 后，样品显示出更好的强度和塑性。Net-AM 显微结构的主要疲劳特性见图 2b、c。在第一步中有效消除了微空洞后，疲劳寿命和疲劳极限显然都得到了很大程度的改善，这证实了微空洞对原样打印微结构的显著不利影响。然而，将 PBG 内的粗微结构恢复为精细 AM 微结构后，疲劳寿命和疲劳极限也都得到了改善，这也验证了精细 AM 微结构的优势。最后，通过消除锯齿状的 α 相并恢复原始 AM PBG，Net-AM 状态的疲劳特性得到了进一步改善，实际上是显著改善。由此可见，通过获得 Net-AM 微结构所需的微空洞和微结构调整，Ti-6Al-4V 的疲劳极限可以显著提高，从 475 MPa 提高到 978 MPa，即提高 106%。如图 2d、e 所示，这一结果还与 AM 和传统锻造生产的 Ti-6Al-4V 合金在负载率 R = 0.1 时的应力寿命数据进行了比较，可以看出，Near-Net-AM 和 Net-AM 微结构的疲劳寿命优于 AM Ti-6Al-4V 的疲劳寿命（图 2d），甚至优于传统锻造 Ti-6Al-4V 的所有报告结果（图 2e）。因此，作者可以得出结论：Net-AM 微结构的抗疲劳性非常出色，远远高于其他常见的 Ti-6Al-4V 微结构。这进一步表明许多AM Ti合金的抗疲劳性较差主要是由于存在微孔，而不仅仅是AM微观结构。

图2：与其他Ti-6Al-4V合金相比，此合金的拉伸和疲劳性能

为了全面评估 Net-AM 微结构的机械性能，作者从拉伸强度和疲劳极限的角度，将当前 Net-AM 微结构的结果与其他微结构进行了进一步比较。从图 3a 中可以看出，Net-AM 微结构的疲劳极限比所有其他已报道的 AM 材料和传统锻造材料至少高出 20%。为了进一步突出 Net-AM 微结构的高抗疲劳性，图 3b 总结了常见工程结构材料的比强度和比疲劳极限。令人鼓舞的是，在所有金属材料（包括钢、铝合金、钛合金、镁合金、铜合金、超合金和高熵合金）中，Net-AM Ti-6Al-4V 的比疲劳极限最高，这进一步加强了 AM 技术在制造抗疲劳部件方面的潜在优势。

图 3：与其他微结构和材料相比，Net-AM 微结构的疲劳强度和比疲劳强度评估

为了了解这背后的原因，作者采用逐层研磨的方法来准确确定裂纹起始位置，并描述其微观结构细节，如图 4a 所示。如图 4b 所示，作者惊讶地发现，对于 Net-AM 微结构，微结构中的疲劳裂纹源都与 PBG 的晶界相对应。从本质上讲，材料的抗疲劳性一般由不可逆的局部损伤积累或其疲劳弱点的起源决定，如微空洞、持续滑移带、粗软晶粒以及具有密集位错堆积的晶界。大量报告表明，钛合金中的疲劳裂纹总是从等轴的α晶粒和粗板条，尤其是具有相似取向的集束开始。这种机制也是 "HIP 状态 "的主要机制，如图 4c 所示。在本研究中使用 HIP + STA 处理来细化 α-薄片时，观察到了与 PBGBs 上富集的锯齿状 α 相相关的跨晶格开裂机制（图 4d）。因此，要提高疲劳性能，还需要消除上述两种类型的晶界，即粗α-拉梅拉和锯齿状α-相。幸运的是，与传统的锻造状态相比，AM 显微结构不仅具有干净的晶界，而且由更细的 PBG 组成（图 1a,d）。最后，对于常见的面心立方金属材料，大部分疲劳损伤都是由表面持续滑移带或这些滑移带与各种晶粒或孪晶边界的相互作用引起的。然而，这些特征在六方紧密堆积、位错滑移能力较弱的钛合金中可能会受到抑制；此外，在超细 AM 微结构中也会受到明显抑制。因此，Net-AM 微结构大大避免了许多传统的疲劳弱点，防止了局部损伤累积，从而抑制了疲劳裂纹的产生，表现出极高的抗疲劳性。

图4：疲劳开裂模式和相应的微观结构信息

小结

在本研究中，作者通过使用新开发的净AM加工（NAMP）技术，在钛合金中展示了3D打印微结构的天然高抗疲劳性，从而使钛合金的比疲劳强度在本研究测试的所有金属材料中最高。除了 NAMP 技术在实际应用中的重要意义之外，本研究还可以指导未来追求最佳疲劳性能的发展方向：一方面，为了优化印刷工艺，应不断减小微空洞的尺寸；另一方面，为了优化后处理，应进一步细化微结构。更重要的是，无空隙 AM 微结构具有极高的抗疲劳性，这一观点不仅适用于钛合金，也应扩展到其他金属材料系统。这是因为疲劳损伤定位通常积聚在薄弱区域，而快速凝固产生的超细 AM 显微结构将有效消除这些区域。总之，本研究不仅阐明了快速成型金属材料在未来工程领域中用于制造具有优异抗疲劳性能的承重结构的巨大潜力，还为当前的快速成型技术提供了一些新的研究方向。

来源：高分子科学前沿

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