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這項為3D打印技術在高精尖領域應用掃除一個重大障礙的重要研究，由中國科學院金屬研究所張哲峰和張振軍研究員團隊完成，相關成果論文近日在國際學術期刊《科學進展》(Science Advances)發表。
本項研究成果的相關示意圖。中國科學院金屬研究所 供圖
研究團隊解釋稱，“全能”抗疲勞是指在各種應力比條件下都表現出前所未有的抗疲勞能力，即抵抗反復受力而不損壞的能力。
他們介紹說，3D打印能輕松制造出結構復雜、輕量化的金屬零件，這對于追求減重和一體化的新一代飛機、航天器等高端裝備來說極具吸引力，但長期以來，3D打印出來的金屬零件有個“硬傷”——疲勞性能差，就是反復受力后容易產生裂紋甚至斷裂，這嚴重限制了其關鍵應用。
2024年初，研究團隊發明一種凈增材制造(Net-AM preparation，NAMP)的新工藝，能精確控制材料的內部結構和缺陷，用新工藝制備的Ti-6Al-4V(一種最常用的鈦合金)可同時消除微孔和粗大組織——兩者都是導致疲勞的元兇。這種新材料在循環“拉-拉”應力條件下，打破了“比疲勞強度”(強度除以密度，是衡量輕質材料性能的關鍵指標)世界紀錄，證明3D打印材料也能擁有頂級的抗疲勞能力。
不過，現實中的金屬零件如飛機發動機葉片、起落架等受力情況非常復雜，不但存在“拉-拉”也存在“拉-壓”等情況，也就是應力比在變化，而不同的應力比會引發材料內部不同的損壞機制。此外，傳統的鈦合金微觀組織結構往往“偏科”：只在某些特定的應力比下表現出好的一面，換了另一種應力比就可能表現不佳。這就使得制造一種能“通吃”所有工況的材料非常困難。
在本項研究中，面對這個更復雜的難題，研究團隊分析揭示出鈦合金中幾種容易導致疲勞開裂的薄弱環節，以及它們在哪種受力模式下會“發作”。在此基礎上，研究團隊利用NAMP工藝制造了近乎無孔洞的3D打印組織，可以同時優化所有這些薄弱環節，這種3D打印鈦合金具備在全應力比條件下都保持高疲勞強度的特性。
實驗數據表明，在不同應力比的疲勞測試中，“全能”抗疲勞鈦合金材料“比疲勞強度”全面優于所有金屬材料。(完)
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