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(yù)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(xiàng)來自中國科學(xué)家的突破性技術(shù)，正為這個(gè)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(duì)，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(shí)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(gè)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(huì)斷開。金屬材料在循環(huán)載荷下也會(huì)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(gè)過程往往發(fā)生在材料內(nèi)部，肉眼難以察覺，直到為時(shí)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(gè)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(cuò)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(shí)刻既具備馬拉松選手的耐力又擁有短跑運(yùn)動(dòng)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(shí)踐中，設(shè)計(jì)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(shí)際工程構(gòu)件中的應(yīng)力狀態(tài)很少是單一不變的。一個(gè)航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片可能在起飛時(shí)經(jīng)歷高應(yīng)力幅的振動(dòng)，在巡航時(shí)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(yù)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(jì)自由度與材料利用率。尤其在航空航天領(lǐng)域，因?yàn)樵S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(huì)成為裂紋的起點(diǎn)，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(dú)特微觀結(jié)構(gòu)在某些情況下能提升材料性能，但有時(shí)也會(huì)帶來新的、難以預(yù)測的失效風(fēng)險(xiǎn)。

正因如此，過去很長一段時(shí)間里，3D打印尤其是金屬類材料，始終難以在航空發(fā)動(dòng)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(jì)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(duì)這一困境，中國科學(xué)院金屬研究所的科研團(tuán)隊(duì)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(dòng)。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(jì)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(duì)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(shí)（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(dú)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(shí)，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(shí)間和溫度，找到了一個(gè)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(shí)維持了亞微米級(jí)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(píng)估：與其他 Ti-6Al-4V 合金及常見金屬結(jié)構(gòu)材料的對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(diǎn)的協(xié)同優(yōu)化。這就像一支精良的軍隊(duì)，需要不同兵種協(xié)同作戰(zhàn)才能應(yīng)對(duì)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(huì)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(shí)，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(shí)材料內(nèi)部的缺陷成為最薄弱的環(huán)節(jié)。即使是微米級(jí)的孔隙也會(huì)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(cuò)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室到藍(lán)天：抗疲勞設(shè)計(jì)的未來圖景

這項(xiàng)研究的意義，遠(yuǎn)不止于一項(xiàng)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(shí)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(jiān)實(shí)支撐。

在航空航天領(lǐng)域，這項(xiàng)突破意味著設(shè)計(jì)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(jì)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(dòng)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(shí)現(xiàn)性能跨越。特別是在無人機(jī)、太空探測器等對(duì)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(jì)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(shí)，他們也在研究如何將這種設(shè)計(jì)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(duì)微觀組織與疲勞性能之間關(guān)系的深入理解，材料設(shè)計(jì)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(xiàng)研究不僅是一項(xiàng)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(diǎn)，亦可成為成長的契機(jī)。在這條從實(shí)驗(yàn)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(shí)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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