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刷新世界纪录!中国新型3D打印技术制造“全能”抗疲劳钛合金

  中新网北京8月29日电 (记者 孙自法)记者8月29日从中国科学院金属研究所获悉,该所研究团队最近研发成功一种新型3D打印(也称增材制造)后处理技术,制造出被誉为“全能”抗疲劳的钛合金材料,刷新了金属材料抗疲劳世界纪录。

  这项为3D打印技术在高精尖领域应用扫除一个重大障碍的重要研究,由中国科学院金属研究所张哲峰和张振军研究员团队完成,相关成果论文近日在国际学术期刊《科学进展》(Science Advances)发表。

本项研究成果的相关示意图。中国科学院金属研究所 供图

  研究团队解释称,“全能”抗疲劳是指在各种应力比条件下都表现出前所未有的抗疲劳能力,即抵抗反复受力而不损坏的能力。

  他们介绍说,3D打印能轻松制造出结构复杂、轻量化的金属零件,这对于追求减重和一体化的新一代飞机、航天器等高端装备来说极具吸引力,但长期以来,3D打印出来的金属零件有个“硬伤”——疲劳性能差,就是反复受力后容易产生裂纹甚至断裂,这严重限制了其关键应用。

  2024年初,研究团队发明一种净增材制造(Net-AM preparation,NAMP)的新工艺,能精确控制材料的内部结构和缺陷,用新工艺制备的Ti-6Al-4V(一种最常用的钛合金)可同时消除微孔和粗大组织——两者都是导致疲劳的元凶。这种新材料在循环“拉-拉”应力条件下,打破了“比疲劳强度”(强度除以密度,是衡量轻质材料性能的关键指标)世界纪录,证明3D打印材料也能拥有顶级的抗疲劳能力。

  不过,现实中的金属零件如飞机发动机叶片、起落架等受力情况非常复杂,不但存在“拉-拉”也存在“拉-压”等情况,也就是应力比在变化,而不同的应力比会引发材料内部不同的损坏机制。此外,传统的钛合金微观组织结构往往“偏科”:只在某些特定的应力比下表现出好的一面,换了另一种应力比就可能表现不佳。这就使得制造一种能“通吃”所有工况的材料非常困难。

  在本项研究中,面对这个更复杂的难题,研究团队分析揭示出钛合金中几种容易导致疲劳开裂的薄弱环节,以及它们在哪种受力模式下会“发作”。在此基础上,研究团队利用NAMP工艺制造了近乎无孔洞的3D打印组织,可以同时优化所有这些薄弱环节,这种3D打印钛合金具备在全应力比条件下都保持高疲劳强度的特性。

  实验数据表明,在不同应力比的疲劳测试中,“全能”抗疲劳钛合金材料“比疲劳强度”全面优于所有金属材料。(完)

【编辑:刘湃】
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