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3D打印鈦合金抗疲勞設(shè)計(jì)制備取得突破

研發(fā)快訊 2024年02月29日 15:30:54來(lái)源:金屬研究所 16669
摘要3D打印又名增材制造(AM),因得天獨(dú)厚的自由成形能力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)。

  【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】3D打印又名增材制造(AM),因得天獨(dú)厚的自由成形能力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)。因此3D打印材料在航空航天等領(lǐng)域得到關(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,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。
 
  近期,中國(guó)科學(xué)院金屬研究所研究員張哲峰帶領(lǐng)的材料疲勞與斷裂團(tuán)隊(duì),在前期疲勞損傷機(jī)制和疲勞預(yù)測(cè)理論的指導(dǎo)下,與輕質(zhì)高強(qiáng)材料研究部研究員楊銳團(tuán)隊(duì)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。2月29日,相關(guān)研究成果以High fatigue resistance in a titanium alloy via near void-free 3D printing為題,發(fā)表在《自然》(Nature)上。
 
  該研究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。研究在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,科研人員巧妙地利用這一工藝窗口,發(fā)明了缺陷與組織分步調(diào)控的NAMP新工藝(Net-Additive Manufacturing Process),制備出幾乎無(wú)氣孔的近Net-AM Ti-6Al-4V合金。
 
  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,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%。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)中具有最高的比疲勞強(qiáng)度(疲勞強(qiáng)度除以密度)。
 
  上述成果更新了科學(xué)家以往對(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領(lǐng)域的應(yīng)用前景。
 
  該研究由金屬所和美國(guó)加利福尼亞大學(xué)伯克利分校合作完成。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院王寬誠(chéng)國(guó)際合作項(xiàng)目以及中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)等的支持。
 
3D打印鈦合金抗疲勞設(shè)計(jì)制備取得突破
 
  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)。
 
  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)的疲勞裂紋均在干凈的初生β晶界(PBGBs)處萌生,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。

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