3D打印，又名增材制造（Additive manufacturing，AM），因其得天獨(dú)厚的自由成形能力極大地滿足了高端裝備和構(gòu)件對(duì)高集成性、多功能性、輕量化、一體化的需求，被認(rèn)為是制造領(lǐng)域的顛覆性技術(shù)。因而，3D打印材料在航空航天等領(lǐng)域得到極大關(guān)注和初步應(yīng)用。然而，與傳統(tǒng)制造技術(shù)相比，3D打印制備的材料在循環(huán)載荷下的疲勞性能普遍較差，嚴(yán)重制約了其作為結(jié)構(gòu)承力件的廣泛應(yīng)用。因此，如何提升3D打印材料與構(gòu)件的疲勞性能是國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界與工程界熱切關(guān)注的焦點(diǎn)問(wèn)題。

? 中科院金屬研究所

近期，中國(guó)科學(xué)院金屬研究所材料疲勞與斷裂團(tuán)隊(duì)帶頭人張哲峰研究員在前期疲勞損傷機(jī)制和疲勞預(yù)測(cè)理論指導(dǎo)下，與輕質(zhì)高強(qiáng)材料研究部楊銳研究員團(tuán)隊(duì)開(kāi)展合作，在3D打印鈦合金抗疲勞設(shè)計(jì)制備方面取得了突破性進(jìn)展，制備出具有優(yōu)異疲勞性能的3D打印鈦合金材料。該項(xiàng)研究成果于2024年2月29日以題為“High fatigue resistance in a titanium alloy via near void-free 3D printing”發(fā)表在Nature雜志上，金屬所博士研究生曲展為論文第一作者，張振軍研究員、美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校Robert O. Ritchie教授、張哲峰研究員為論文通訊作者。

NAMP新工藝

在文中，研究人員首次明確提出：理想狀態(tài)下3D打印技術(shù)直接制備出的鈦合金組織本身（稱為Net-AM組織）應(yīng)具有天然優(yōu)異的疲勞性能，而打印過(guò)程中產(chǎn)生的氣孔等缺陷掩蓋了其自身組織抗疲勞的優(yōu)點(diǎn)，導(dǎo)致實(shí)際測(cè)量的3D打印材料疲勞性能大幅降低。因此，提升3D打印材料疲勞性能的關(guān)鍵在于消除打印氣孔的同時(shí)，盡可能保留原始打印的組織狀態(tài)。然而，目前消除氣孔的工藝往往伴隨組織粗化，而細(xì)化組織的處理又會(huì)帶來(lái)氣孔復(fù)現(xiàn)，甚至引發(fā)晶界α相富集等新的不利因素，可謂進(jìn)退兩難。


幸運(yùn)的是，研究人員在Ti-6Al-4V合金中首次發(fā)現(xiàn)，高溫下3D打印態(tài)組織的晶界遷移及氣孔長(zhǎng)大與相轉(zhuǎn)變過(guò)程表現(xiàn)出異步的特性；這意味著，存在一個(gè)寶貴的熱處理工藝窗口，既可實(shí)現(xiàn)板條組織細(xì)化，又能有效抑制晶界α相富集及氣孔復(fù)現(xiàn)。為此，研究人員巧妙地利用了這一工藝窗口，發(fā)明了缺陷與組織分步調(diào)控的NAMP新工藝（Net-Additive Manufacturing Process）（圖1），最終制備出幾乎無(wú)氣孔的近Net-AM Ti-6Al-4V合金。

圖1. 打印態(tài)、NAMP態(tài)以及其他兩種典型狀態(tài)3D打印鈦合金組織和缺陷特征：（a）打印態(tài)；（b）熱等靜壓（HIP）態(tài)；（c）Near-net-AM態(tài)；（d）Net-AM態(tài)。

大量疲勞實(shí)驗(yàn)表明這一近Net-AM鈦合金有效避免了從打印氣孔、粗大板條及α相富集晶界等多種疲勞短板處開(kāi)裂（圖2），充分展示出3D打印組織自身所特有的高疲勞抗性：其拉-拉疲勞強(qiáng)度從原始態(tài)的475 MPa提升至 978 MPa，增幅高達(dá)106%（圖3）。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，這種近Net-AM組織Ti-6Al-4V合金不僅在所有鈦合金材料中具有最高的拉-拉疲勞強(qiáng)度，而且在目前已報(bào)道的材料疲勞數(shù)據(jù)中，還具有最高的比疲勞強(qiáng)度（疲勞強(qiáng)度除以密度）。

圖2. 不同組織疲勞裂紋萌生典型位置。（a）疲勞裂紋萌生位置表征的尖角逐層磨拋方法示意圖；（b）Net-AM狀態(tài)；（c）HIP狀態(tài)：（d）Near net-AM狀態(tài)。Net-AM狀態(tài)的疲勞裂紋均從干凈的初生β晶界（PBGBs）處萌生，成功避免了從缺陷和粗大組織開(kāi)裂，從而表現(xiàn)出極高的疲勞抗力。

圖3. 本研究工作制備的Net-AM組織鈦合金的疲勞性能（R=0.1）：（a） Net-AM組織鈦合金拉-拉疲勞強(qiáng)度與增材和鍛造鈦合金疲勞強(qiáng)度對(duì)比；（b）Net-AM組織鈦合金與其他材料的比疲勞強(qiáng)度對(duì)比。Net-AM組織鈦合金不僅在鈦合金中具有最高的疲勞強(qiáng)度，而且在所有材料中表現(xiàn)出最高的比疲勞強(qiáng)度。

這項(xiàng)成果更新了人們以往對(duì)3D打印材料疲勞性能不高的固有認(rèn)識(shí)，揭示了3D打印技術(shù)在抗疲勞制造方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，展現(xiàn)了3D打印材料作為結(jié)構(gòu)承力件在航空航天等重要領(lǐng)域的廣闊應(yīng)用前景。

其中，鉑力特(2024 TCT展位號(hào)：7H15）為此次研究提供了設(shè)備支持，研究人員使用了BLT-S320設(shè)備制備試樣。鉑力特設(shè)備久經(jīng)考驗(yàn)，具有較高的穩(wěn)定性，能夠滿足高校科研客戶研制等方面的需求。BLT-S320幫助研究人員成功制備出幾乎無(wú)氣孔的鈦合金試樣，驗(yàn)證了論文思路與新工藝的可行性與有效性。

利用BLT-S320制備試樣的示意圖

該項(xiàng)研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體(52321001)、優(yōu)秀青年基金(52322105)、重點(diǎn)基金(52130002)、葉企孫聯(lián)合基金(U2241245)、中國(guó)科學(xué)院王寬誠(chéng)國(guó)際合作項(xiàng)目(GJTD-2020-09)與中國(guó)科學(xué)院青促會(huì)(2021192)等項(xiàng)目資助。

科技講臺(tái)一直都是國(guó)內(nèi)外眾多知名高等院校、研究院學(xué)科帶頭專家分享他們?cè)?D打印領(lǐng)域最新研究成果的舞臺(tái)。今年，中國(guó)科學(xué)院金屬研究所 張哲峰 研究員將受邀出席科技講臺(tái)——研究與開(kāi)發(fā)論壇，為現(xiàn)場(chǎng)

觀眾分享消除微孔提高無(wú)缺陷組織增材制造合金抗疲勞性能的研究思路，為關(guān)鍵構(gòu)件輕量化和抗疲勞設(shè)計(jì)制造提供了新的可能。

面向增材制造行業(yè)人士的同期論壇門(mén)票已于3月6日正式開(kāi)售，早鳥(niǎo)票截至4月7日，數(shù)量有限。掃描下方二維碼，查看門(mén)票與權(quán)益，提前規(guī)劃更具性價(jià)比！

*TCT亞洲展同期會(huì)議門(mén)票購(gòu)買(mǎi)，請(qǐng)認(rèn)準(zhǔn)官方購(gòu)票渠道。

來(lái)源 l中國(guó)科學(xué)院金屬研究所

2024年觀眾入場(chǎng)仍需實(shí)名認(rèn)證進(jìn)場(chǎng)參觀

建議您提前完成預(yù)約免50元門(mén)票

并保存好您的參觀確認(rèn)函

TCT Asia 2024

時(shí)間與地點(diǎn)

5月7日 09:00 - 17:30

5月8日 09:00 - 17:30

5月9日 09:00 - 15:00

國(guó)家會(huì)展中心（上海）7.1&8.1館

3D打印，又名增材制造（Additive manufacturing，AM），因其得天獨(dú)厚的自由成形能力極大地滿足了高端裝備和構(gòu)件對(duì)高集成性、多功能性、輕量化、一體化的需求，被認(rèn)為是制造領(lǐng)域的顛覆性技術(shù)。因而，3D打印材料在航空航天等領(lǐng)域得到極大關(guān)注和初步應(yīng)用。然而，與傳統(tǒng)制造技術(shù)相比，3D打印制備的材料在循環(huán)載荷下的疲勞性能普遍較差，嚴(yán)重制約了其作為結(jié)構(gòu)承力件的廣泛應(yīng)用。因此，如何提升3D打印材料與構(gòu)件的疲勞性能是國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界與工程界熱切關(guān)注的焦點(diǎn)問(wèn)題。

? 中科院金屬研究所

近期，中國(guó)科學(xué)院金屬研究所材料疲勞與斷裂團(tuán)隊(duì)帶頭人張哲峰研究員在前期疲勞損傷機(jī)制和疲勞預(yù)測(cè)理論指導(dǎo)下，與輕質(zhì)高強(qiáng)材料研究部楊銳研究員團(tuán)隊(duì)開(kāi)展合作，在3D打印鈦合金抗疲勞設(shè)計(jì)制備方面取得了突破性進(jìn)展，制備出具有優(yōu)異疲勞性能的3D打印鈦合金材料。該項(xiàng)研究成果于2024年2月29日以題為“High fatigue resistance in a titanium alloy via near void-free 3D printing”發(fā)表在Nature雜志上，金屬所博士研究生曲展為論文第一作者，張振軍研究員、美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校Robert O. Ritchie教授、張哲峰研究員為論文通訊作者。

NAMP新工藝

在文中，研究人員首次明確提出：理想狀態(tài)下3D打印技術(shù)直接制備出的鈦合金組織本身（稱為Net-AM組織）應(yīng)具有天然優(yōu)異的疲勞性能，而打印過(guò)程中產(chǎn)生的氣孔等缺陷掩蓋了其自身組織抗疲勞的優(yōu)點(diǎn)，導(dǎo)致實(shí)際測(cè)量的3D打印材料疲勞性能大幅降低。因此，提升3D打印材料疲勞性能的關(guān)鍵在于消除打印氣孔的同時(shí)，盡可能保留原始打印的組織狀態(tài)。然而，目前消除氣孔的工藝往往伴隨組織粗化，而細(xì)化組織的處理又會(huì)帶來(lái)氣孔復(fù)現(xiàn)，甚至引發(fā)晶界α相富集等新的不利因素，可謂進(jìn)退兩難。


幸運(yùn)的是，研究人員在Ti-6Al-4V合金中首次發(fā)現(xiàn)，高溫下3D打印態(tài)組織的晶界遷移及氣孔長(zhǎng)大與相轉(zhuǎn)變過(guò)程表現(xiàn)出異步的特性；這意味著，存在一個(gè)寶貴的熱處理工藝窗口，既可實(shí)現(xiàn)板條組織細(xì)化，又能有效抑制晶界α相富集及氣孔復(fù)現(xiàn)。為此，研究人員巧妙地利用了這一工藝窗口，發(fā)明了缺陷與組織分步調(diào)控的NAMP新工藝（Net-Additive Manufacturing Process）（圖1），最終制備出幾乎無(wú)氣孔的近Net-AM Ti-6Al-4V合金。

圖1. 打印態(tài)、NAMP態(tài)以及其他兩種典型狀態(tài)3D打印鈦合金組織和缺陷特征：（a）打印態(tài)；（b）熱等靜壓（HIP）態(tài)；（c）Near-net-AM態(tài)；（d）Net-AM態(tài)。

大量疲勞實(shí)驗(yàn)表明這一近Net-AM鈦合金有效避免了從打印氣孔、粗大板條及α相富集晶界等多種疲勞短板處開(kāi)裂（圖2），充分展示出3D打印組織自身所特有的高疲勞抗性：其拉-拉疲勞強(qiáng)度從原始態(tài)的475 MPa提升至 978 MPa，增幅高達(dá)106%（圖3）。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，這種近Net-AM組織Ti-6Al-4V合金不僅在所有鈦合金材料中具有最高的拉-拉疲勞強(qiáng)度，而且在目前已報(bào)道的材料疲勞數(shù)據(jù)中，還具有最高的比疲勞強(qiáng)度（疲勞強(qiáng)度除以密度）。

圖2. 不同組織疲勞裂紋萌生典型位置。（a）疲勞裂紋萌生位置表征的尖角逐層磨拋方法示意圖；（b）Net-AM狀態(tài)；（c）HIP狀態(tài)：（d）Near net-AM狀態(tài)。Net-AM狀態(tài)的疲勞裂紋均從干凈的初生β晶界（PBGBs）處萌生，成功避免了從缺陷和粗大組織開(kāi)裂，從而表現(xiàn)出極高的疲勞抗力。

圖3. 本研究工作制備的Net-AM組織鈦合金的疲勞性能（R=0.1）：（a） Net-AM組織鈦合金拉-拉疲勞強(qiáng)度與增材和鍛造鈦合金疲勞強(qiáng)度對(duì)比；（b）Net-AM組織鈦合金與其他材料的比疲勞強(qiáng)度對(duì)比。Net-AM組織鈦合金不僅在鈦合金中具有最高的疲勞強(qiáng)度，而且在所有材料中表現(xiàn)出最高的比疲勞強(qiáng)度。

這項(xiàng)成果更新了人們以往對(duì)3D打印材料疲勞性能不高的固有認(rèn)識(shí)，揭示了3D打印技術(shù)在抗疲勞制造方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，展現(xiàn)了3D打印材料作為結(jié)構(gòu)承力件在航空航天等重要領(lǐng)域的廣闊應(yīng)用前景。

其中，鉑力特(2024 TCT展位號(hào)：7H15）為此次研究提供了設(shè)備支持，研究人員使用了BLT-S320設(shè)備制備試樣。鉑力特設(shè)備久經(jīng)考驗(yàn)，具有較高的穩(wěn)定性，能夠滿足高校科研客戶研制等方面的需求。BLT-S320幫助研究人員成功制備出幾乎無(wú)氣孔的鈦合金試樣，驗(yàn)證了論文思路與新工藝的可行性與有效性。

利用BLT-S320制備試樣的示意圖

該項(xiàng)研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體(52321001)、優(yōu)秀青年基金(52322105)、重點(diǎn)基金(52130002)、葉企孫聯(lián)合基金(U2241245)、中國(guó)科學(xué)院王寬誠(chéng)國(guó)際合作項(xiàng)目(GJTD-2020-09)與中國(guó)科學(xué)院青促會(huì)(2021192)等項(xiàng)目資助。

科技講臺(tái)一直都是國(guó)內(nèi)外眾多知名高等院校、研究院學(xué)科帶頭專家分享他們?cè)?D打印領(lǐng)域最新研究成果的舞臺(tái)。今年，中國(guó)科學(xué)院金屬研究所 張哲峰 研究員將受邀出席科技講臺(tái)——研究與開(kāi)發(fā)論壇，為現(xiàn)場(chǎng)

觀眾分享消除微孔提高無(wú)缺陷組織增材制造合金抗疲勞性能的研究思路，為關(guān)鍵構(gòu)件輕量化和抗疲勞設(shè)計(jì)制造提供了新的可能。

面向增材制造行業(yè)人士的同期論壇門(mén)票已于3月6日正式開(kāi)售，早鳥(niǎo)票截至4月7日，數(shù)量有限。掃描下方二維碼，查看門(mén)票與權(quán)益，提前規(guī)劃更具性價(jià)比！

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時(shí)間與地點(diǎn)

5月7日 09:00 - 17:30

5月8日 09:00 - 17:30

5月9日 09:00 - 15:00

國(guó)家會(huì)展中心（上海）7.1&8.1館