中國科學(xué)家解決鈦合金疲勞難題！3D打印刷新世界紀(jì)錄

2025-11-19 22:28:44 來源：中國科普博覽

鈦合金，這種輕盈又強(qiáng)韌的材料，因在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，被譽為“太空金屬”。不過，它在反復(fù)受力的環(huán)境下，也不可避免地出現(xiàn)我們所說的“疲勞”。而一項來自中國科學(xué)家的突破性技術(shù)，正為這個難題帶來全新的解決方案。

中國科學(xué)院金屬研究所的張哲峰研究員帶領(lǐng)的科研團(tuán)隊，通過一種名為“NAMP”的創(chuàng)新工藝，成功制備出近乎無缺陷的3D打印鈦合金材料，不僅刷新了鈦合金比疲勞強(qiáng)度（疲勞強(qiáng)度除以密度）的世界紀(jì)錄，更首次實現(xiàn)了全應(yīng)力比下的高性能疲勞抗性，為增材制造技術(shù)在高端裝備領(lǐng)域的應(yīng)用創(chuàng)造了新的可能性。

當(dāng)金屬開始“疲勞”：一個看不見的敵人

金屬的疲勞，不是一瞬間的斷裂，而是在一次次受力中慢慢積累損傷。就像反復(fù)折疊一根鐵絲，最終它會斷開。金屬材料在循環(huán)載荷下也會發(fā)生微觀裂紋的萌生與擴(kuò)展，直到某一天突然徹底失效。這個過程往往發(fā)生在材料內(nèi)部，肉眼難以察覺，直到為時已晚。尤其令人頭痛的是，疲勞行為強(qiáng)烈依賴于應(yīng)力比——即循環(huán)中最小應(yīng)力與最大應(yīng)力的比值。這個看似簡單的參數(shù)，卻能夠完全改變材料的失效機(jī)制。

(資料圖片僅供參考)

應(yīng)力比的變化如同一雙無形的手，操縱著材料內(nèi)部的損傷進(jìn)程。在低應(yīng)力比下，高應(yīng)力幅值容易激活持久滑移帶，引發(fā)剪切型裂紋；在高應(yīng)力比下，高最大應(yīng)力則促使位錯堆積，導(dǎo)致解理型開裂。這種“此消彼長”的機(jī)制使得傳統(tǒng)鈦合金很難在所有工況下都保持優(yōu)異的疲勞性能。正如人類無法在同一時刻既具備馬拉松選手的耐力又擁有短跑運動員的爆發(fā)力，材料也難以在所有的應(yīng)力比下都表現(xiàn)卓越。

工程實踐中，設(shè)計師們往往需要根據(jù)不同的應(yīng)力比范圍，優(yōu)化材料選擇和處理工藝。這是一種妥協(xié)，也限制了裝備的性能邊界和使用范圍。更復(fù)雜的是，實際工程構(gòu)件中的應(yīng)力狀態(tài)很少是單一不變的。一個航空發(fā)動機(jī)葉片可能在起飛時經(jīng)歷高應(yīng)力幅的振動，在巡航時又承受高平均應(yīng)力的持續(xù)載荷。這種復(fù)雜的載荷歷史使得材料的疲勞行為更加難以預(yù)測和控制。

增材制造：自由成形的雙刃劍

增材制造，additive manufacturing，俗稱3D打印，是一種通過逐層堆積材料來制造物體的技術(shù)，被譽為制造業(yè)的第三次革命。它能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜構(gòu)件的整體成型，避免傳統(tǒng)加工中的連接與減材問題，極大提升了設(shè)計自由度與材料利用率。尤其在航空航天領(lǐng)域，因為許多關(guān)鍵部件都具有極其復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外形輪廓，傳統(tǒng)加工方法要么難以制造，要么成本高昂，而3D打印卻能做得很好。

然而，3D打印也并非完美。制造過程中，熔池快速冷卻、熱循環(huán)復(fù)雜，容易在材料內(nèi)部留下氣孔、未熔合等缺陷。這些微孔就像材料中的“阿喀琉斯之踵”，在反復(fù)受力中會成為裂紋的起點，嚴(yán)重影響零件的可靠性。更復(fù)雜的是，3D打印過程中產(chǎn)生的獨特微觀結(jié)構(gòu)在某些情況下能提升材料性能，但有時也會帶來新的、難以預(yù)測的失效風(fēng)險。

正因如此，過去很長一段時間里，3D打印尤其是金屬類材料，始終難以在航空發(fā)動機(jī)葉片、航天承力支架等關(guān)鍵部件中大規(guī)模應(yīng)用。工程界普遍認(rèn)為，雖然增材制造在設(shè)計自由度方面具有革命性優(yōu)勢，但其疲勞性能的固有缺陷限制了它在關(guān)鍵承力部件中的應(yīng)用，甚至在某種程度上延緩了進(jìn)一步發(fā)展。

面對這一困境，中國科學(xué)院金屬研究所的科研團(tuán)隊并沒有退縮。他們系統(tǒng)分析了以往的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)鍛造鈦合金在不同應(yīng)力比下表現(xiàn)出明顯的性能波動。某些顯微組織在低應(yīng)力比下表現(xiàn)優(yōu)異，但在高應(yīng)力比下卻顯得脆弱；反之亦然。這種不一致本質(zhì)上源于不同微觀損傷機(jī)制隨應(yīng)力條件的變化。而要突破這一局限，必須從材料設(shè)計和制備策略上尋求創(chuàng)新。

NAMP工藝：微孔消除與組織調(diào)控的藝術(shù)

研究團(tuán)隊們開發(fā)出一種名為“NAMP”（Net-AM Preparation）的創(chuàng)新后處理技術(shù)，該工藝巧妙地結(jié)合了熱等靜壓（HIP）和高溫短時（HT-St）處理，既有效消除了打印過程中產(chǎn)生的微孔，又保留了增材制造獨有的優(yōu)異顯微組織。

熱等靜壓技術(shù)本身已廣泛用于消除金屬材料中的內(nèi)部缺陷，它通過高溫和高壓環(huán)境使微孔閉合。然而，傳統(tǒng)的HIP處理在修復(fù)缺陷的同時，也常常導(dǎo)致晶粒晶粒粗化、板條結(jié)構(gòu)變大，雖然靜態(tài)力學(xué)性能有所提升，疲勞性能反而可能下降。

NAMP工藝的突破之處在于精確控制處理時間和溫度，找到了一個理想的平衡狀態(tài)：既能充分愈合孔隙，又抑制晶粒長大。以Ti-6Al-4V合金為例，NAMP處理使其內(nèi)部微孔基本消失，同時維持了亞微米級的α板條和清晰完整的晶界。掃描電鏡和透射電鏡圖像中，幾乎看不到任何孔隙缺陷。

更令人驚喜的是，這種微觀結(jié)構(gòu)的優(yōu)化不僅僅體現(xiàn)在靜態(tài)組織觀察中，更直接反映在疲勞性能的全面提升上。研究人員采用標(biāo)準(zhǔn)的階梯法測試了材料在不同應(yīng)力比下的疲勞強(qiáng)度，包括R=-1、R=-0.5、R=0.1和R=0.5等典型工況。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，NAMP處理后的材料在所有應(yīng)力比下都表現(xiàn)出了前所未有的高性能。

Net-AM Ti-6Al-4V 疲勞性能評估：與其他 Ti-6Al-4V 合金及常見金屬結(jié)構(gòu)材料的對比。 (A) 在不同應(yīng)力比下，Net-AM 顯微組織與其他 Ti-6Al-4V 合金組織的平均應(yīng)力與應(yīng)力幅對比。 (B) 在不同應(yīng)力比下，Net-AM 顯微組織與其他材料的比平均應(yīng)力與比應(yīng)力幅對比

（圖片來源：參考文獻(xiàn)1）

三重防御：協(xié)同強(qiáng)化抗疲勞性能

研究團(tuán)隊進(jìn)一步指出，疲勞性能的提升并非單一因素之功，而是源于三類疲勞薄弱點的協(xié)同優(yōu)化。這就像一支精良的軍隊，需要不同兵種協(xié)同作戰(zhàn)才能應(yīng)對各種戰(zhàn)場環(huán)境。

第一道防線是細(xì)小的prior β晶界（PBGBs）。在低應(yīng)力比條件下，高應(yīng)力幅值容易激活持久滑移帶，導(dǎo)致剪切型裂紋的形成和擴(kuò)展。粗大的晶界會成為裂紋擴(kuò)展的快速通道，顯著降低材料的疲勞強(qiáng)度。而增材制造固有的快速冷卻特性自然形成了細(xì)小的晶粒結(jié)構(gòu)，NAMP工藝在消除缺陷的同時，也保留了這一特征。這些細(xì)小的晶界能夠有效阻礙裂紋擴(kuò)展，從而提高材料在低應(yīng)力比下的疲勞性能。

第二道防線是無微孔結(jié)構(gòu)。在中應(yīng)力比范圍內(nèi)，應(yīng)力幅值和最大應(yīng)力的影響達(dá)到某種平衡，這時材料內(nèi)部的缺陷成為最薄弱的環(huán)節(jié)。即使是微米級的孔隙也會在循環(huán)載荷下產(chǎn)生應(yīng)力集中，進(jìn)而引發(fā)裂紋。NAMP工藝通過熱等靜壓和精確控制的后處理，幾乎完全消除了這些缺陷，使材料在中應(yīng)力比下表現(xiàn)出色。

第三道防線是細(xì)小的α晶粒。在高應(yīng)力比條件下，材料容易發(fā)生解理開裂。粗大的α晶粒不僅提供了更長的位錯滑移距離，還增加了初始裂紋的尺寸，從而降低了材料的疲勞強(qiáng)度。但增材制造過程中形成的細(xì)小α板條結(jié)構(gòu)天然具有抵抗這種失效機(jī)制的能力，NAMP工藝成功保留了這一優(yōu)勢特征。

這三者共同構(gòu)成了Net-AM鈦合金的“三重防線”，使其在不同應(yīng)力比下均表現(xiàn)出卓越的疲勞抗性。實驗數(shù)據(jù)顯示，其疲勞強(qiáng)度不僅整體優(yōu)于所有已知的鈦合金（包括鍛造和傳統(tǒng)打印），在比疲勞強(qiáng)度（疲勞強(qiáng)度/密度）方面更是優(yōu)于所有金屬材料，包括鋼、鋁、鎂、高溫合金等。

不同應(yīng)力比條件下增材制造（AM）Ti-6Al-4V 合金的疲勞性能與裂紋機(jī)制

（圖片來源：參考文獻(xiàn)1）

從實驗室到藍(lán)天：抗疲勞設(shè)計的未來圖景

這項研究的意義，遠(yuǎn)不止于一項紀(jì)錄的刷新。它首次從機(jī)理上闡明：3D打印本身所帶來的微觀組織特征，非但不是短板，反而天然地有助于實現(xiàn)全面的抗疲勞性能。這一發(fā)現(xiàn)徹底扭轉(zhuǎn)了“打印材料疲勞性能差”的陳舊認(rèn)知，為增材制造技術(shù)在航空航天、能源裝備、生物醫(yī)療等領(lǐng)域的應(yīng)用提供了堅實支撐。

在航空航天領(lǐng)域，這項突破意味著設(shè)計師現(xiàn)在可以更自由地利用增材制造的技術(shù)優(yōu)勢，設(shè)計出更加輕量化、集成化的部件，不再需要為疲勞性能而妥協(xié)。從發(fā)動機(jī)葉片、機(jī)身框架到起落架等重要組件，都有望借助這類新材料實現(xiàn)性能跨越。特別是在無人機(jī)、太空探測器等對重量極其敏感的應(yīng)用中，這種高比強(qiáng)度的材料將帶來顯著的性能提升。

未來，研究人員計劃進(jìn)一步優(yōu)化NAMP工藝參數(shù)，探索在其他鈦合金材料中的應(yīng)用可能性。同時，他們也在研究如何將這種設(shè)計理念擴(kuò)展到其他材料體系，如高溫合金、高熵合金等。隨著對微觀組織與疲勞性能之間關(guān)系的深入理解，材料設(shè)計師將能夠更精準(zhǔn)地調(diào)控材料性能，滿足特定應(yīng)用場景的需求。

這項研究不僅是一項技術(shù)的突破，更是一種理念的重塑：最好的材料不是沒有缺陷的材料，而是那些能將缺陷轉(zhuǎn)化為優(yōu)勢的材料。正如人生中的挫折與弱點，亦可成為成長的契機(jī)。在這條從實驗室通向藍(lán)天的道路上，3D打印鈦合金正以它的“天然高疲勞性能”告訴我們：有時候，答案早已藏在問題之中，只待我們以新的眼光去發(fā)現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

【1】Zhan Qu et al. ,Naturally high fatigue performance of a 3D printing titanium alloy across all stress ratios.Sci. Adv.11,eady0937(2025).DOI:10.1126/sciadv.ady0937

出品：科普中國

作者：可可（材料學(xué)博士）

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