苏州大学/蒙纳士大学：4万字顶刊综述（IF=26.8），增材制造钛合金—结构应用迎来可靠性加速

近期，苏州大学和蒙纳士大学增材制造中心（Monash Centre for Additive Manufacturing，MCAM）联合多家机构在 Materials Science & Engineering R（IF = 26.8）发表长篇综述论文《Fatigue and damage tolerance performance of additively-manufactured titanium alloys for structural application: A comprehensive review》，系统评述增材制造（AM）钛合金在结构承载中的疲劳与损伤容限表现，重点覆盖极端服役温度与缺陷/组织影响机制，为工程装机与合规评估提供路线图。

https://doi.org/10.1016/j.mser.2025.101135

论文指出，钛合金凭借“高比强度+耐蚀性+性价比（buy-to-fly）”优势，已在航空航天等领域率先实现AM应用：包括已获EASA批准用于IAE-V2500发动机防冰系统的A-Link，以及多项通过FAA认证的波音飞机结构件；AM钛合金部件也已在压气机盘最高约450 ℃的高温与液氢泵叶轮−253 ℃的深低温环境中经受验证。

在具体案例上，L-PBF制造的A350拓扑优化Ti-6Al-4V支架实现约30%减重，成为典型的轻量化与快速交付范例；大尺寸方面，L-DED/WAAM适合米级长桁与压力容器等大型承载件制造，相关原型验证显示可在满足性能指标的前提下，节省约65%交付周期、减少约80%原材料用量；而粘结剂喷射（Binder Jetting）钛合金已用于生产通过飞行资质的卫星与e-VTOL支架，显示出烧结系AM路线的产业化潜力。

综述指出，孔隙与熔合不良、柱状晶取向、非平衡相以及拉向残余应力等“AM遗传问题”，是导致疲劳寿命离散度高、下限偏低的关键。相较“强度达标”，工程更关心“能用多久、下限在哪里”，尤其在航空结构中，疲劳相关的失效占比极高。围绕“缺陷—组织—应力—表面状态”的四要素，研究者提出以缺陷容限为起点、贯通微观组织调控与近表层质量控制的闭环路径。

在可操作层面，机械加工与电化学抛光等表面后处理能显著削弱几何缺口效应；HIP（热等静压）有助于闭合内部孔隙并降低缺陷敏感性；后续热处理用于稳定并细化组织、降低马氏体带来的脆性风险；通过参数优化与预热/后热策略，可减小有害拉残余应力。将“工艺窗口—HIP—热处理—表面工程—检验与质控”打包为 Net-AM 链路，有望在不牺牲设计自由的前提下，实质性抬升疲劳下限并收敛数据离散度，为关键承载件的工程准入奠定基础。

除了最常研究的 Ti-6Al-4V，综述亦覆盖 α、α+β 与 β 系多种钛合金，并讨论不同服役温区下的适配策略。对工程实践而言，把“可制造性—可检测性—可认证性”前置到设计阶段，建立面向构件级的工艺—组织—性能数据库与可追溯质控，将“强度优势”真正转化为“寿命与可靠性优势”。用研究团队的话说，“当我们把缺陷、组织与应力一起治理，再把近表层状态‘补上最后一公里’，AM 钛合金的结构安全边界会被显著推高”。

针对工程落地，作者团队从“缺陷—表面—组织—残余应力”的耦合视角梳理了高周疲劳、裂纹扩展、断裂韧性在室温、高温（350–400 ℃）与深冷（−196 ℃至−253 ℃）条件下的规律，并给出材料/工艺/后处理的优化方向；同时展望了Binder Jetting与多光束“面曝光”等低成本高通量工艺在结构关键件中的应用前景与质保挑战（如杂质控制、烧结收缩与翘曲管理、能量分布与显微组织调控等）。

增材制造各式钛合金的高周疲劳性能的总结

增材制造各式钛合金的高温高周疲劳性能的总结

增材制造各式钛合金的断裂韧性的总结

通讯作者简介：

张恺（Kai Zhang）：博士毕业于Monash大学，2015年至2019年在Monash大学增材制造中心工作，期间从事增材制造钛合金相关研究。目前为苏州大学的副教授。他的研究方向涵盖增材制造金属材料的组织调控、力学性能优化，以及高强度承载部件的疲劳与断裂行为。张博士长期关注“如何让3D打印金属不仅能做出来，而且能安全用起来”，重点聚焦缺陷抑制、残余应力控制和后处理热工艺，为增材制造结构件的工程化认证提供实验依据与思路。

朱玉满（Yuman Zhu）：博士毕业于Monash大学，目前担任Monash大学增材制造中心副主任（Deputy Director, MCAM），并且是材料科学与工程系的ARC Future Fellow。朱博士的研究聚焦高性能金属的增材制造，利用先进显微表征技术研究快速凝固、相变行为和组织演化机制，旨在建立“增材制造工艺-显微组织-服役性能”的因果联系，推动增材制造金属材料（尤其是钛合金）在实际工业环境中可靠应用。

黄爱军（Aijun Huang）分别于东北大学，中科院金属研究所及英国伯明翰大学获得工学学士、硕士及博士学位。他是英国材料、矿业与矿物学协会的会士、特许工程师和特许科学家。他目前担任Monash大学工学部分管外事的副院长，负责工学领域校际合作、企业合作，政府关系等国际合作事宜。同时他也是材料科学工程学院、机械及航空工程学院双聘终身教授、Monash大学25个校级交叉研究中心之一的Monash增材制造中心（MCAM）主任。黄爱军教授的研究工作包括：增材制造专用合金设计；金属粉末制造技术；增材制造的零件设计；增材制造过程的优化；增材制造后处理工艺的开发，包括最终增材制造零件的检验、质量认证以及适航认证研究。此外，他的研究领域还包括传统航空金属材料的物理冶金及加工工艺研究。

本文来自“材料科学与工程”公众号，感谢论文作者团队支持。

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