在航天航空等多個(gè)領(lǐng)域，輕質(zhì)高強(qiáng)的鈦合金體系一直是多種零部件的首要選擇，但在這些構(gòu)件的服役過(guò)程中，時(shí)常會(huì)不可避免地承受不同應(yīng)力比的交變載荷，傳統(tǒng)工藝制成的鈦合金通常都局限在某一特定的應(yīng)力比下保持良好的使用性能，而無(wú)法在全應(yīng)力比下輕松應(yīng)對(duì)交變載荷。近年來(lái)，近凈成形的增材制造工藝（AM）大放異彩，但就目前而言，AM制備的鈦合金因其內(nèi)部的微孔缺陷而限制了合金的疲勞穩(wěn)定性。

2025年8月22日《Science Advances》發(fā)表了一篇題為“Naturally high fatigue performance of a 3D printing titanium alloy across all stress ratios”的研究成果，中科院金屬所的張振軍研究員、劉睿副研究員、張哲峰研究員為論文共同通訊作者，在該論文中團(tuán)隊(duì)首次實(shí)現(xiàn)基于AM制備的在所有應(yīng)力比條件下均展現(xiàn)天然高疲勞性能的Ti-6Al-4V合金，其疲勞性能不僅顯著優(yōu)于傳統(tǒng)鍛造鈦合金，還超過(guò)了眾多金屬材料體系，這一發(fā)現(xiàn)為航空航天復(fù)雜構(gòu)件的設(shè)計(jì)和應(yīng)用開(kāi)辟了新方向。

文章鏈接：

https://doi.org/10.1126/sciadv.ady0937

【核心內(nèi)容】

團(tuán)隊(duì)通過(guò)原創(chuàng)設(shè)計(jì)的近無(wú)微孔3D打印工藝（NAMP）獲得了兼具細(xì)小β晶界、超細(xì)α層片和無(wú)孔結(jié)構(gòu)的Ti-6Al-4V合金，即消除了AM制備時(shí)常出現(xiàn)的微孔缺陷，又很好地保留了細(xì)小的β晶粒和層片α相，優(yōu)化后的微觀結(jié)構(gòu)組成使得Ti-6Al-4V合金在不同應(yīng)力比條件時(shí)有著不同的機(jī)制針對(duì)性地抑制裂紋的萌生和擴(kuò)展，從而實(shí)現(xiàn)跨應(yīng)力比的抗疲勞性能。

不同組織類型AM Ti-6Al-4V合金在不同應(yīng)力比下的疲勞性能及開(kāi)裂機(jī)理

【研究方法】

該研究團(tuán)隊(duì)提出的NAMP工藝結(jié)合了多道步驟實(shí)現(xiàn)：首先通過(guò)激光粉末床熔融（LPBF）制備的合金樣品在真空550 ℃下進(jìn)行2小時(shí)的應(yīng)力消除處理，隨后為了進(jìn)一步減少微空洞，在920 ℃和150 MPa下進(jìn)行了熱等靜壓（HIP）工藝，并在氬氣氣氛中冷卻，再結(jié)合高溫短時(shí)間（HT-St）處理恢復(fù)有益的AM微結(jié)構(gòu)特征。

Ti-6Al-4V合金在不同狀態(tài)下的孔洞分布與顯微組織

【研究成果】

① 跨應(yīng)力比的全面高疲勞性能

得益于NAMP構(gòu)建的獨(dú)特的微觀組織結(jié)構(gòu)，Net-AM Ti-6Al-4V在全應(yīng)力比范圍內(nèi)展現(xiàn)出卓越的抗疲勞性能，明顯優(yōu)于傳統(tǒng)鍛造制備和現(xiàn)有報(bào)道的基于AM工藝的Ti-6Al-4V合金，在比強(qiáng)度（即單位密度下的疲勞性能）方面，Net-AM Ti-6Al-4V超過(guò)了鋼、鋁、鎂、銅合金以及高熵合金，成為目前已知在全應(yīng)力比范圍內(nèi)綜合抗疲勞性能最優(yōu)的金屬材料。

不同應(yīng)力比下NAMP樣品的疲勞性能對(duì)比

Net-AM鈦合金與其他合金材料的疲勞性能對(duì)比

② 裂紋萌生機(jī)制的規(guī)律性轉(zhuǎn)變

在低應(yīng)力比條件下，裂紋往往從殘余微孔萌生，在中等應(yīng)力比下，裂紋既可能來(lái)源于晶界也可能起源于微孔，而在高應(yīng)力比條件下，裂紋則主要在細(xì)化的晶界處形成，而Net-AM組織則憑借同時(shí)減少三類疲勞弱點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)跨應(yīng)力比的穩(wěn)定高性能。

不同應(yīng)力比下裂紋萌生位置與疲勞性能轉(zhuǎn)變

【總結(jié)與展望】

該研究闡明了消除微孔缺陷后的AM微結(jié)構(gòu)在所有應(yīng)力比下具有天然的高抗疲勞性，證實(shí)了AM技術(shù)在生產(chǎn)具有復(fù)雜拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)或復(fù)雜載荷條件的抗疲勞部件方面尚有未開(kāi)發(fā)的優(yōu)勢(shì)，徹底改變了“AM合金疲勞性能不穩(wěn)定”的固有印象，其在航空航天復(fù)雜構(gòu)件（如發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、承力環(huán)件）中的應(yīng)用前景十分廣闊。