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研究背景
随着3D打印技术（增材制造）在制造领域的广泛应用，其自由成形的优势极大地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，从而被认为是制造领域的颠覆性技术。然而，尽管3D打印在形状复杂性和定制性方面具有显著优势，但制备的材料在循环载荷下的疲劳性能普遍较差，这成为制约其广泛应用的主要问题。与传统制造技术相比，3D打印结构材料常因存在微孔等缺陷而导致疲劳性能不佳，这引起了科学家的关注。这些微孔可能是由于相变和晶粒长大的不同步导致的。因此，解决3D打印材料疲劳性能不佳的问题，尤其是微孔引起的问题，成为了科学家关注的焦点。为了解决3D打印材料疲劳性能问题，中国科学院沈阳金属研究所张哲峰、张振军,美国加州大学伯克利分校的Robert O. Ritchie等研究者采取了创新性的方法。他们发明了一种名为NAMP（Net-Additive Manufacturing Process）的后处理新工艺，通过缺陷与组织分步调控成功制备出几乎无气孔的近Net-AM组织Ti-6Al-4V合金。这项工作不仅深入理解了相变和晶粒长大的异步性，还解决了微孔问题，从而为改善3D打印材料疲劳性能提供了新的途径。相关成果以题为“High fatigue resistance in a titanium alloy via near-void-free 3D printing” 在Nature 发表。
研究内容
为了解决钛合金中Net-AM组织的自然抗疲劳性这一挑战，研究者进行了一系列探索，并发展了一种精心优化的后处理工艺，即Net-AM处理（NAMP）技术。在图1中研究者展示了该技术的关键原理和效果。首先，在图1a和图1d中，通过准原位X射线断层扫描，揭示了打印状态下的微孔分布以及经过NAMP处理后的微观结构变化。图1a左上展示了打印状态下存在的微空洞，而图1d左上则显示了经过NAMP处理后这些空洞的消除。通过NAMP技术，研究者成功地抑制了微孔的再次出现，有效地重建了无空洞的AM微结构。此外，在图1中还展示了打印状态和NAMP状态下的微观结构比较。在图1d中，通过NAMP处理，可以保持棋盘式PBG形态和超细层次板条，避免了在PBGBs附近富集的锯齿状α。这表明NAMP技术不仅消除了微孔，还保持了原始AM微观结构的关键特征，形成了净AM微观结构。从图1的分析结果中可以得出结论，NAMP技术有效地消除了所有不属于原始AM微观结构的缺陷，重建了无空洞的AM微结构。 图1. 打印态、Net-AM态以及其他两种典型状态3D打印Ti-6Al-4V合金组织和缺陷特征。为了评估钛合金的拉伸和疲劳性能，并与其他Ti-6Al-4V合金进行比较，研究者在图2a中单轴拉伸性能显示出不同处理状态下的强度和塑性匹配情况。经过NAMP处理后的样品表现出更好的强度和塑性，同时在拉伸断口上观察到更多的韧窝，这可能意味着疲劳性能的改善。然而，NAMP处理后的样品强度略低于打印状态，可能是由于该状态下的织构和板条较硬，但整体性能仍然优于其他处理状态。图2b和c展示了Net-AM微观组织的关键疲劳性能。经过NAMP处理后，疲劳寿命和疲劳极限都得到了显著提高，证实了微空洞对打印态组织的不利影响。通过恢复PBGs内部的精细组织和消除锯齿α相，进一步提高了净调幅状态的疲劳性能。从475 MPa提高到978 MPa的疲劳极限表明，通过微观气孔和微观组织调整，Ti-6Al-4V合金的疲劳性能得到了显著提升。最后在图2d和e中，将这些结果与传统锻造和AM合金的应力-寿命（S-N）数据进行比较，发现近净AM和净AM组织的疲劳寿命优于其他处理状态，甚至优于常规锻造Ti-6Al-4V合金的结果。这表明NAMP技术在提高钛合金疲劳性能方面具有显著优势，为其在工程领域的应用提供了重要的支持。 图2. 不同组织Ti-6Al-4V合金疲劳裂纹萌生典型位置。为了全面评估Net-AM微观结构的力学性能，研究者在图3中展示了对比分析。在图3a中他们比较了不同Ti-6Al-4V合金的疲劳强度与拉伸强度的关系。结果显示，Net-AM微观结构的疲劳极限明显高于其他增材制造和传统锻造材料，突出了其在疲劳性能方面的优势。而在图3b中，研究者将不同材料的比强度和比疲劳强度进行了比较。值得注意的是，Net-AM Ti-6Al-4V合金不仅在疲劳强度上超越了其他材料，而且在比疲劳强度方面也是最优秀的，显示出了其在抗疲劳性能方面的卓越表现。这些对比分析结果进一步强调了Net-AM微观结构在工程领域中的潜在优势，为其在制造抗疲劳部件方面的应用提供了有力支持。 图3.该研究工作制备的Net-AM组织Ti-6Al-4V合金疲劳性能（R=0.1）。研究者在图4中展示了对疲劳开裂模式及其相应微观结构信息的分析。为了理解Net-AM微观结构具有优越的疲劳性能背后的机制，他们通过精确的裂纹起始位置表征技术，揭示了裂纹的起源和微观结构之间的关系。通过逐层磨削技术，研究者成功地确定了疲劳裂纹的起始位置，并表征了其微观结构的细节，如图4a所示。结果显示，在Net-AM微观结构中，疲劳裂纹源头都位于PBGBs的晶界处，这与3D打印的微观结构特点相符。图4b展示了这一发现，显示了裂纹起始处晶界的清洁状态，不存在粗大相的富集，这有助于解释Net-AM微观结构具有优越的疲劳抗性。
研究展望
本研究展示了通过新开发的Net-AM处理（NAMP）技术，实现了钛合金中3D打印微观结构的高疲劳抗性，为几乎无空洞的材料制备提供了新的途径。深入研究了微观结构与疲劳性能之间的关系，揭示了净AM微观结构的优势。此外，指出了工艺优化和应用前景，为未来材料设计和制造领域提供了有益的启示，强调了结构与性能的紧密关联。这些成果不仅拓展了增材制造技术的应用范围，也为材料科学和工程领域的进步提供了新的思路和方向。Qu, Z., Zhang, Z., Liu, R. et al. High fatigue resistance in a titanium alloy via near-void-free 3D printing. Nature 626, 999–1004 (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07048-1
