中科院金属研究所，2024年首篇Nature！

3D打印的优势，即结构材料的增材制造(AM)，由于其令人失望的疲劳性能而受到严重损害。通常，较差的疲劳性能似乎是由于当前印刷工艺程序引起的微孔的存在造成的。

2024年2月28日，中国科学院金属研究所张哲峰、张振军及加州大学伯克利分校Robert O. Ritchie共同通讯（曲展为第一作者）在Nature在线发表题为“High fatigue resistance in a titanium alloy via near-void-free 3D printing”的研究论文，该研究通过了解相变和晶粒生长的不同步性，通过开发Net-AM加工技术，成功地在Ti-6Al-4V钛合金中重建了近似无空洞的AM组织。

该研究确定了这种AM微结构的抗疲劳性，并表明它们导致约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。该研究证实了Net-AM微结构具有较高的抗疲劳性能，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。

科学界对3D打印(即增材制造)的高设计自由度和低材料浪费印象深刻，这对于钛(Ti)合金来说尤其重要，因为它们在传统制造中价格高昂，可加工性差。然而，较差的抗疲劳性能阻碍了增材制造技术的广泛应用，因为疲劳性能是结构部件设计的关键标准。在相当长的一段时间里，人们认为直接从超高冷却速度的熔池中获得的增材制造显微组织，除了微空洞之外，还会导致低抗疲劳性。特别是，最近的研究发现，AM钛合金的疲劳性能可以通过几种组织调整来改善，这进一步加深了对AM组织的偏见。然而，一些线索表明，这似乎并不像看起来那么简单，可能有隐藏的因素在起作用。

之前的研究表明，微观结构与微孔洞的存在耦合影响疲劳性能，因此上述疲劳性能的改善可能是耦合效应改善的结果，而不一定是微观结构升级的结果。此外，从钛合金疲劳损伤机制的角度来看，具有超细laths、弱α′/α变异选择、清晰的先验-β-晶界(PBGBs)和良好的强度与塑性结合的AM微结构具有优异的抗疲劳性能，有利于减少疲劳损伤。因此，基体增材制造组织的高抗疲劳性能可能会被微孔的存在所掩盖。

识别钛合金中Net-AM微观结构的自然抗疲劳性是非常具有挑战性的，因为目前很难在不影响AM微观结构的情况下实现无空洞状态。即使仔细优化了打印参数，以及用于消除此类微孔的几种后处理程序(例如热等静压(HIP))，目前的增材制造工艺也不能完全消除打印微孔的存在，这总是会降低增材制造微观结构的独特特征。不仅β-晶粒内的板条变粗，而且其独特的分层针状形态也变得支离破碎。

打印状态下的微孔分布和微观结构（图源自Nature）

该研究通过使用新开发的Net-AM加工(NAMP)技术，展示了钛合金3D打印微观结构的天然高抗疲劳性，这使得Ti在所有测试的金属材料中具有最高的比疲劳强度。除了NAMP技术在实际应用中的意义外，该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，为了优化打印工艺，应不断减小微孔的尺寸;另一方面，为了优化后处理，需要进一步细化微观结构。

更重要的是，无空洞AM微结构具有极高抗疲劳性能的观点不仅适用于钛合金，也适用于其他金属材料体系。这是因为疲劳损伤局部化通常集中在薄弱区域，而快速凝固产生的超细AM组织将有效地消除这些区域。综上所述，该研究不仅阐明了增材制造金属材料在未来工程领域中具有优异抗疲劳性能的承重结构的巨大潜力，也为当前的增材制造技术激发了一些新的研究方向。

https://www.nature.com/articles/s41586-024-07048-1