记者从中国科学院金属研究所获悉,该所张哲峰团队制备出具有高抗疲劳性能的3D打印钛合金材料,展现了3D打印材料作为结构承力件在航空航天等领域的广阔应用前景。该项研究成果于2月29日以“近无微孔3D打印钛合金高抗疲劳性能”为题发表在《自然》杂志上。
3D打印,又名增材制造,满足了高端装备和构件对高集成性、多功能性、轻量化、一体化的需求,被认为是制造领域的颠覆性技术,在航空航天等领域得到极大关注和初步应用。但与传统制造技术相比,3D打印材料在循环载荷下的疲劳性能普遍较差,严重制约了其作为结构承力件的广泛应用。
研究人员首次明确提出,理想状态下3D打印技术直接制备出的钛合金组织本身(称为Net-AM组织)应具有天然的超高疲劳性能,而打印过程中产生的气孔等缺陷掩盖了其自身组织抗疲劳的优点,导致实际测量的3D打印材料疲劳性能大幅降低。目前,消除气孔的工艺往往伴随组织粗化,而细化组织的处理又会带来气孔复现,甚至引发晶界α相富集等新的不利因素,可谓进退两难。
研究人员在Ti-6Al-4V合金中首次发现,高温下3D打印态组织的晶界迁移及气孔长大与相转变过程表现出异步的特性。这意味着,热处理过程中存在一个宝贵的工艺窗口,既可实现板条组织细化,又能有效抑制晶界α相富集及气孔复现。为此,研究人员巧妙地利用了这一工艺窗口,发明了缺陷与组织分步调控的NAMP新工艺(即增材制造无孔化处理),最终制备出几乎无气孔的近Net-AM组织Ti-6Al-4V合金。
据悉,该组织拉-拉疲劳强度从原始态的475MPa提升至978MPa,增幅高达106%。通过对比发现,该新型合金组织不仅在所有钛合金材料中具有最高的拉-拉疲劳强度,而且在目前已公开的材料疲劳数据中,还具有最高的比疲劳强度(疲劳强度除以密度)。
这项成果揭示了3D打印技术在抗疲劳制造方面的独特优势,展现了3D打印材料作为结构承力件在航空航天等重要领域的广阔应用前景。
来源:中国科技网