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研究背景
隨著3D打印技術（增材制造）在制造領域的廣泛應用，其自由成形的優勢極大地滿足了高端裝備和構件對高集成性、多功能性、輕量化、一體化的需求，從而被認為是制造領域的顛覆性技術。然而，盡管3D打印在形狀復雜性和定制性方面具有顯著優勢，但制備的材料在循環載荷下的疲勞性能普遍較差，這成為制約其廣泛應用的主要問題。與傳統制造技術相比，3D打印結構材料常因存在微孔等缺陷而導致疲勞性能不佳，這引起了科學家的關注。這些微孔可能是由于相變和晶粒長大的不同步導致的。因此，解決3D打印材料疲勞性能不佳的問題，尤其是微孔引起的問題，成為了科學家關注的焦點。為了解決3D打印材料疲勞性能問題，中國科學院沈陽金屬研究所張哲峰、張振軍,美國加州大學伯克利分校的Robert O. Ritchie等研究者采取了創新性的方法。他們發明了一種名為NAMP（Net-Additive Manufacturing Process）的后處理新工藝，通過缺陷與組織分步調控成功制備出幾乎無氣孔的近Net-AM組織Ti-6Al-4V合金。這項工作不僅深入理解了相變和晶粒長大的異步性，還解決了微孔問題，從而為改善3D打印材料疲勞性能提供了新的途徑。相關成果以題為“High fatigue resistance in a titanium alloy via near-void-free 3D printing” 在Nature 發表。
研究內容
為了解決鈦合金中Net-AM組織的自然抗疲勞性這一挑戰，研究者進行了一系列探索，并發展了一種精心優化的后處理工藝，即Net-AM處理（NAMP）技術。在圖1中研究者展示了該技術的關鍵原理和效果。首先，在圖1a和圖1d中，通過準原位X射線斷層掃描，揭示了打印狀態下的微孔分布以及經過NAMP處理后的微觀結構變化。圖1a左上展示了打印狀態下存在的微空洞，而圖1d左上則顯示了經過NAMP處理后這些空洞的消除。通過NAMP技術，研究者成功地抑制了微孔的再次出現，有效地重建了無空洞的AM微結構。此外，在圖1中還展示了打印狀態和NAMP狀態下的微觀結構比較。在圖1d中，通過NAMP處理，可以保持棋盤式PBG形態和超細層次板條，避免了在PBGBs附近富集的鋸齒狀α。這表明NAMP技術不僅消除了微孔，還保持了原始AM微觀結構的關鍵特征，形成了凈AM微觀結構。從圖1的分析結果中可以得出結論，NAMP技術有效地消除了所有不屬于原始AM微觀結構的缺陷，重建了無空洞的AM微結構。 圖1. 打印態、Net-AM態以及其他兩種典型狀態3D打印Ti-6Al-4V合金組織和缺陷特征。為了評估鈦合金的拉伸和疲勞性能，并與其他Ti-6Al-4V合金進行比較，研究者在圖2a中單軸拉伸性能顯示出不同處理狀態下的強度和塑性匹配情況。經過NAMP處理后的樣品表現出更好的強度和塑性，同時在拉伸斷口上觀察到更多的韌窩，這可能意味著疲勞性能的改善。然而，NAMP處理后的樣品強度略低于打印狀態，可能是由于該狀態下的織構和板條較硬，但整體性能仍然優于其他處理狀態。圖2b和c展示了Net-AM微觀組織的關鍵疲勞性能。經過NAMP處理后，疲勞壽命和疲勞極限都得到了顯著提高，證實了微空洞對打印態組織的不利影響。通過恢復PBGs內部的精細組織和消除鋸齒α相，進一步提高了凈調幅狀態的疲勞性能。從475 MPa提高到978 MPa的疲勞極限表明，通過微觀氣孔和微觀組織調整，Ti-6Al-4V合金的疲勞性能得到了顯著提升。最后在圖2d和e中，將這些結果與傳統鍛造和AM合金的應力-壽命（S-N）數據進行比較，發現近凈AM和凈AM組織的疲勞壽命優于其他處理狀態，甚至優于常規鍛造Ti-6Al-4V合金的結果。這表明NAMP技術在提高鈦合金疲勞性能方面具有顯著優勢，為其在工程領域的應用提供了重要的支持。 圖2. 不同組織Ti-6Al-4V合金疲勞裂紋萌生典型位置。為了全面評估Net-AM微觀結構的力學性能，研究者在圖3中展示了對比分析。在圖3a中他們比較了不同Ti-6Al-4V合金的疲勞強度與拉伸強度的關系。結果顯示，Net-AM微觀結構的疲勞極限明顯高于其他增材制造和傳統鍛造材料，突出了其在疲勞性能方面的優勢。而在圖3b中，研究者將不同材料的比強度和比疲勞強度進行了比較。值得注意的是，Net-AM Ti-6Al-4V合金不僅在疲勞強度上超越了其他材料，而且在比疲勞強度方面也是最優秀的，顯示出了其在抗疲勞性能方面的卓越表現。這些對比分析結果進一步強調了Net-AM微觀結構在工程領域中的潛在優勢，為其在制造抗疲勞部件方面的應用提供了有力支持。 圖3.該研究工作制備的Net-AM組織Ti-6Al-4V合金疲勞性能（R=0.1）。研究者在圖4中展示了對疲勞開裂模式及其相應微觀結構信息的分析。為了理解Net-AM微觀結構具有優越的疲勞性能背后的機制，他們通過精確的裂紋起始位置表征技術，揭示了裂紋的起源和微觀結構之間的關系。通過逐層磨削技術，研究者成功地確定了疲勞裂紋的起始位置，并表征了其微觀結構的細節，如圖4a所示。結果顯示，在Net-AM微觀結構中，疲勞裂紋源頭都位于PBGBs的晶界處，這與3D打印的微觀結構特點相符。圖4b展示了這一發現，顯示了裂紋起始處晶界的清潔狀態，不存在粗大相的富集，這有助于解釋Net-AM微觀結構具有優越的疲勞抗性。
研究展望
本研究展示了通過新開發的Net-AM處理（NAMP）技術，實現了鈦合金中3D打印微觀結構的高疲勞抗性，為幾乎無空洞的材料制備提供了新的途徑。深入研究了微觀結構與疲勞性能之間的關系，揭示了凈AM微觀結構的優勢。此外，指出了工藝優化和應用前景，為未來材料設計和制造領域提供了有益的啟示，強調了結構與性能的緊密關聯。這些成果不僅拓展了增材制造技術的應用范圍，也為材料科學和工程領域的進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
