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一、【科学背景】

增材制造技术可以打印任意形状的结构件，从而可以大大降低其加工成本。钛合金的热成形性能差，传统结构加工成本高。但是通过增材制造的钛合金的缺点是其抗疲劳性能太差。通过对增材制造钛合金的微观组织进行深入观察，可以发现微气孔过多是其抗疲劳性能较差的主要原因。在循环载荷的作用下，微气孔往往是疲劳裂纹的形核源。通过热等静压等方法可以有效减少增材制造钛合金中的微气孔数量，但同时导致显微组织的粗化，恶化材料的抗疲劳性能。如何同时细化增材制造钛合金组织尺寸，减少微气孔数量，是摆在世界科学家面前的难题。

二、【创新成果】

近日，来自中科院金属研究所的张哲峰研究员、张振军研究员和美国加州大学伯克利分校Robert O. Ritchie教授等人在经典双相钛合金中发明了一种净增材制造工艺（Net-Additive Manufacturing Process，NAMP），制备出几乎无气孔的Ti-6Al-4V（Net-AM Ti-6Al-4V）合金。使其在循环载荷的作用下有效避免了疲劳损伤在气孔、粗大板条及晶界α相等出的累积，具备超高的抗疲劳抗性，其拉-拉疲劳强度从原始态的475 MPa提升至 978 MPa，增幅高达106%，是目前几乎所有金属材料中报道的最高抗疲劳强度。相关成果以“High fatigue resistance in a titanium alloy via near-void-free 3D printing”发表在Nature上。金属所博士研究生曲展为论文第一作者，张振军研究员、美国加州大学伯克利分校Robert O. Ritchie教授、张哲峰研究员为论文通讯作者。

图1 增材制造钛合金的气孔分布和微观结构 ©2024 Springer Nature

图2 本文增材制造合金与其他 Ti-6Al-4V 合金的拉伸和疲劳性能比较；a、拉伸工程应力-应变曲线；b, R = 0.1时的最大应力与循环次数(S-N)数据；c、疲劳强度阶梯图； d,e, 增材制造 (d)和锻造Ti-6Al-4V合金(e)的S-N数据 ©2024 Springer Nature

图3 Net-AM组织与其他组织和材料的疲劳强度和比疲劳强度评估；a, R = 0.1时Net-AM组织的疲劳强度与文献中报道的Ti-6Al-4V合金的抗拉强度的对比；b， Net-AM组织和文献中报道的其他材料的比强度与比疲劳强度的对比 ©2024 Springer Nature

图4 疲劳裂纹及相应的显微组织信息；a、疲劳裂纹起裂位置的精确表征技术示意图；b - d, NAMP状态下最大应力σmax和失效循环数Nf； (b): σmax = 1,050 MPa, Nf = 389,272; HIP状态: (c) σmax = 825 MPa, Nf = 1538471;HIP+ STA状态； (d)σmax = 875 MPa, Nf = 7662434  ©2024 Springer Nature

三、【科学启迪】

本文创造性的发明了NAMP技术，为提高增材制造结构材料的抗疲劳性能开辟了新途径；消除气孔、细化组织不仅适用于提高增材制造钛合金恶抗疲劳性能，还对提高其它结构材料的抗疲劳性能指明方向。

    论文详情：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07048-1；

本文由虚谷纳物供稿