摘要：近日，中国科学院金属研究所张振军研究员、刘锐研究员、张哲峰研究员团队与中国科学技术大学屈展等人在 3D 打印钛合金疲劳性能研究领域取得重要突破。该研究创新性地提出，以 NAMP（Net-AM 制备）技术为核心，通过热等静压（HIP）与高温短时（HT-St）处理

导读

近日，中国科学院金属研究所张振军研究员、刘锐研究员、张哲峰研究员团队与中国科学技术大学屈展等人在 3D 打印钛合金疲劳性能研究领域取得重要突破。该研究创新性地提出，以 NAMP（Net-AM 制备）技术为核心，通过热等静压（HIP）与高温短时（HT-St）处理相结合的工艺，构建接近无孔洞的 Net-AM 微观结构。通过该技术调控 Ti-6Al-4V 合金的微观组织，成功实现细先 β 晶界、无孔洞、超细 α 晶粒的协同优化，有效抑制了不同应力比下的疲劳开裂机制，大幅提升了合金在全应力比范围内的疲劳性能与比强度。

基于这一微观结构设计，团队系统开展了全应力比（R=-1、-0.5、0.1、0.5）下的疲劳测试。结果显示，制备的 Net-AM Ti-6Al-4V 合金样机在 R=-1 时疲劳强度从打印态的 390MPa 提升至 670MPa（增幅 72%），且在所有应力比下的疲劳性能均优于其他 3D 打印及传统锻造 Ti-6Al-4V 合金；按密度归一化后，其比疲劳强度更是超越了钢、铝合金、高温合金等多种金属材料。值得一提的是，其全应力比下的综合疲劳性能与比强度均达到国际领先水平。

这一研究成果为 3D 打印技术在航空发动机叶片、轮盘等复杂抗疲劳构件领域的应用开辟了新的可能，同时为钛合金的全应力比抗疲劳设计提供了理论与技术支撑。该成果以 “Naturally high fatigue performance of a 3D printing titanium alloy across all stress ratios” 为题，发表于国际顶尖期刊《Science Advances》。其中，中国科学技术大学屈展为论文第一作者，中国科学院金属研究所张振军研究员、刘锐研究员和张哲峰研究员为论文共同通讯作者。

研究背景与意义

3D 打印技术的潜力与瓶颈

优势： additive manufacturing（AM）因数字化程度高、复杂几何构件成形自由度无匹、快速原型制备能力，被视为传统制造的革新方向，尤其有望解决钛合金加工性差的问题，应用于航空发动机叶片 / 轮盘等关键部件。

瓶颈：AM 构件普遍疲劳性能差，而复杂构件服役时因应力分布复杂，需承受不同应力比（R = 最小应力 / 最大应力） 的循环载荷；传统材料因疲劳开裂机制的 “跷跷板效应”（应力幅与最大应力主导的开裂机制互斥），难以在全应力比下实现高抗疲劳性。

研究假设与目标：AM 独特的 “小熔池 - 快速冷却 - 动态热循环” 可细化微观结构，若结合无孔洞设计（Net-AM），或具备全应力比下的天然高疲劳性能；本研究通过 NAMP 技术制备接近 Net-AM 的微观结构，系统验证其疲劳性能及机制。

核心研究结果

1. 微观结构调控效果

NAMP 实现 “无孔洞 + 细晶” 协同：3D XRT 显示 NAMP 仅残留少量 HT-St 处理中重开的微小孔洞，EBSD 及 TEM 证实其保留了打印态的超细 α/α' 板条（尺寸≤0.5μm）及细先 β 晶界（PBGB），克服了 HIP 处理导致的晶粒粗化问题（图 1）。

三种状态微观结构对比：As-printed（孔洞 + 细晶）→HIP（无孔洞 + 粗晶）→NAMP（近无孔洞 + 细晶）。

图1.Ti-6Al-4V合金在原样、HIP和NAMP状态下的显微孔分布和显微组织。

2. 全应力比下的疲劳性能优势

（1）关键应力比下的性能提升

（2）横向对比优势

vs 其他 Ti-6Al-4V：在 R=-1、-0.5、0.1、0.5 所有应力比下，NAMP 的疲劳强度均高于所有 AM（打印态、HIP 态）及锻造态（双相、层片状、马氏体）样品（图 2C）。

图2.NAMP Ti-6Al-4V在不同应力比下的疲劳特性。

vs 所有金属材料：按密度归一化后，NAMP Ti-6Al-4V 的比疲劳强度（MPa/(g/cm³)）超过钢、铝、镁、铜合金、高温合金及高熵合金（图 4B）。

图4.与其他Ti-6Al-4V合金和常见金属结构材料相比的Net-AM Ti-6Al-4V疲劳性能评价

3. 疲劳裂纹起始机制的应力比依赖性

高应力比（R=0.5）：裂纹起始于先 β 晶界（PBGB），无孔洞影响，此时 NAMP 性能直接代表 Net-AM；

中应力比（R=0.1）：裂纹同时始于 PBGB 和残留孔洞，NAMP 性能为 Net-AM 的下限；

低应力比（R=-1、-0.5）：裂纹主要始于残留孔洞，Net-AM（完全无孔洞）性能应优于 NAMP（图 3）。

图3.不同应力比下NAMP Ti-6Al-4V合金的典型疲劳断裂图及对应的裂纹起始位置。

结论与展望

核心结论：NAMP 制备的 Net-AM Ti-6Al-4V 微观结构在全应力比下具备天然高疲劳性能，疲劳强度优于所有 AM 及锻造 Ti-6Al-4V，比强度为金属材料之最。

应用价值：突破 AM 构件疲劳性能瓶颈，为航空、航天等领域复杂抗疲劳构件的制备提供技术方案。

理论意义：明确 “全微观结构细化” 是钛合金全应力比抗疲劳设计的有效策略，为传统锻造钛合金的抗疲劳优化提供指导。

关键问题

问题 1：本研究中用于模拟 “Net-AM 微观结构” 的 NAMP 技术具体是什么？其如何实现 “无孔洞” 与 “细晶结构” 的协同保留？

答案：NAMP 技术即 “Net-AM 制备技术”，是将热等静压（HIP）与高温短时（HT-St）处理相结合的后处理工艺。

第一步 HIP（920℃/150MPa，3h）：通过塑性 / 蠕变辅助及扩散传质，完全闭合打印态（As-printed）样品中的微孔洞，但会导致原始 AM 细晶结构（超细 α/α' 板条、细先 β 晶界）粗化；

第二步 HT-St 处理：选择特定时间节点（确保先 β 晶界不长大但相变完成），恢复 HIP 处理中粗化的超细微观结构，最终实现 “近无孔洞 + 保留 AM 细晶特征” 的协同效果，接近理想 Net-AM 状态。

问题 2：与传统锻造 Ti-6Al-4V 相比，Net-AM Ti-6Al-4V 在疲劳性能上的核心优势是什么？请结合具体应力比下的数据说明。

答案：核心优势是在所有应力比下均具备更优的疲劳强度，且比疲劳强度更高，具体对比如下：

低应力比（R=-1）：Net-AM（NAMP）疲劳强度为 670MPa，而传统锻造 Ti-6Al-4V（层片状 / 双相结构）的疲劳强度普遍低于 500MPa，NAMP 性能提升超 30%；

中应力比（R=0.1）：NAMP 疲劳强度为 978MPa，显著高于锻造态的 700-850MPa；

高应力比（R=0.5）：NAMP 疲劳强度达 1150MPa，远超锻造态的 800-1000MPa；

比疲劳强度：按密度（Ti-6Al-4V 约 4.43g/cm³）归一化后，NAMP 的比疲劳强度在所有应力比下均超过锻造钛合金及钢、铝、高温合金等其他金属材料，是轻量化抗疲劳设计的最优选择之一。

问题 3：Net-AM 微观结构能在 “全应力比” 下实现高疲劳性能的本质原因是什么？为何传统材料难以达到这一效果？

答案：

Net-AM 的本质优势：通过三大微观特征协同匹配不同应力比的开裂机制：

细先 β 晶界（PBGB）：抑制低应力比下的 PSB 挤出开裂（低 R 时应力幅主导，PSB 易在粗 PBGB 堆积形成裂纹）；

无孔洞：消除中应力比下的应力集中与位错堆积（中 R 时孔洞同时促进两种开裂机制）；

超细 α 晶粒：抑制高应力比下的位错堆积解理开裂（高 R 时最大应力主导，细 α 晶粒缩短位错堆积距离）。

传统材料的局限性：

锻造钛合金：微观结构单一（如层片状结构仅在高 R 下略优，双相结构仅在中低 R 下有限优势），无法同时优化 PBGB、孔洞、α 晶粒三大弱点；

普通 AM 材料：虽有细晶，但普遍存在微孔洞，中应力比下性能骤降，且难以平衡 “无孔洞” 与 “细晶” 的矛盾（如 HIP 消除孔洞但导致粗化）。
因此，Net-AM 通过微观结构的多维度协同优化，突破了传统材料的 “跷跷板效应”，实现全应力比高疲劳性能。

参考文献：https://doi.org/10.1126/sciadv.ady0937

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来自：科研实践课堂

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