中國大陸中國科學院金屬研究所研究員張哲峰團隊製備出具有高抗疲勞效能的3D列印鈦合金材料，使3D列印鈦合金疲勞強度突破世界紀錄。相關研究成果2月29日發表於《自然》。
3D列印技術是一種快速成型技術，採用鐳射或電子束把粉末狀金屬或塑膠等可黏合材料逐層列印，以構造物體或產品。已有研究發現，3D列印材料在迴圈載荷下的抗疲勞破壞的效能普遍較差，嚴重製約了其作為結構承力件的廣泛應用。
張哲峰告訴《中國科學報》，他們團隊認為，理想狀態下3D列印技術直接製備出的鈦合金組織，又稱Net-AM組織，本身應該具有天然的超高疲勞效能。然而，列印過程中產生的氣孔等缺陷，掩蓋了組織自身的抗疲勞優點，成為限制其實際工程應用的短板。
傳統工藝透過消除氣孔等缺陷來提高材料的疲勞效能，這也是大多數研究者採取的措施。張哲峰帶領團隊從2019年開始研究3D列印鈦合金的疲勞效能，他們發現，採用熱等靜壓工藝消除列印氣孔的同時，會破壞3D列印材料的原始組織，導致材料疲勞效能沒有明顯提高。為此，他們提出一個創新思路——把經過熱等靜壓消除氣孔的組織再處理，調整到3D列印原始組織狀態，恢復其天然高疲勞效能。然而，如何將組織調整到3D列印原始組織狀態是他們面臨的新問題。
嘗試大量不同處理工藝後，張哲峰團隊發現，3D列印的Ti-6Al-4V合金晶界擴散、缺陷消失和相變過程可以在不同工藝視窗實現。以此為基礎，他們發明了缺陷與組織分步調控的NAMP新工藝，最終制備出幾乎無氣孔的近Net-AM組織鈦合金。該Ti-6Al-4V合金拉-拉疲勞強度從原始列印態的475兆帕最終提升至978兆帕，疲勞強度翻倍。這種近Net-AM組織的Ti-6Al-4V合金不僅在所有鈦合金材料中具有最高的拉-拉疲勞強度，而且在目前已報道的材料疲勞資料中，具有最高的比疲勞強度（疲勞強度除以密度）。
「這項成果更新了人們以往對3D列印材料疲勞效能不高的固有認識，展現了3D列印材料作為結構承力件在航空航天等重要領域的廣闊應用前景。」張哲峰說。
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