香港城市大學和廣東省新材料研究所：表面機械納米化（SMAT）關于提高SLM 3D打印鈦合金疲勞強度的研究

【背景介紹】

激光3D打印技術可用于生產具有復雜幾何結構和高精度的凈成型金屬構件，鈦合金3D打印技術在醫療器械、航空航天、汽車工業等領域都有著廣泛的應用，如骨科植入物、飛機結構件、發動機元件等。由于激光3D打印制造過程的特殊性，非平衡狀態下形成的馬氏體組織與普通工藝狀態（如鑄件和鍛件）存在較大的差異。另外，殘余應力和粗糙表面使得3D打印鈦合金的疲勞性能不如傳統方法制造的同類產品，這限制了其在高周期循環載荷服役條件下的應用，特別是難以達到植入體對疲勞性能的要求。

拋光和真空熱處理能夠改善3D打印鈦合金疲勞性能，但疲勞強度仍處于鑄件狀態。目前，提高3D打印鈦合金疲勞強度的最可靠辦法是熱等靜壓（HIP）處理。HIP處理后可以顯著降低其缺陷和孔隙，因此抗疲勞性相對原始狀態能得到提高，但仍然低于鍛件的疲勞強度。因此，需要一種能夠不破壞表面狀態并能處理輕量化結構的后處理方法來提高3D打印鈦合金疲勞強度。

【成果簡介】

近日，香港城市大學呂堅教授和廣東省新材料研究所劉敏教授（共同通訊）及法國貝爾福-蒙貝利亞科技大學Hanlin LIAO教授等人題為“Fatigue strength improvement of selective laser melted Ti6Al4V using ultrasonic surface mechanical attrition”的文章發表在材料科學類知名期刊，Materials?Research Letters，IF 6.16。其研究了激光3D打印鈦合金進行表面機械納米化（SAMT）處理后的疲勞性能，經過SMAT處理后，3D打印鈦合金的疲勞強度可有效提高至鍛件水平，為解決3D打印鈦合金在醫療、航天和軍工等領域應用中面臨的疲勞強度的挑戰提供了可借鑒的創新方案。

【實驗證明】

3D打印鈦合金經SMAT處理后，在其表面形成了由納米晶晶粒層、亞晶粒層和細、粗晶粒共存層組成的梯度納米結構。首先，隨機分布的多晶結構降低了納米層中的應力集中。其次，高硬度的表層增加了疲勞裂紋源萌生的阻力，這在一定程度上也有助于裂紋在材料內部粗大晶粒處萌生的可能性。最后，平行于表面的殘余壓應力也有助于防止裂紋源在納米層中萌生。這三個因素共同限制了疲勞裂紋的萌生，提高了3D打印鈦合金的疲勞強度。與其他表面處理技術相比，SMAT處理后樣品表面展現出良好的表面質量，也表現出優異的疲勞性能，并且此方法適用于處理具有復雜結構的零件。總之，SMAT是提高3D打印鈦合金疲勞強度的一種極具應用前景的表面處理工藝。

【圖文導讀】

圖一，3D打印鈦合金的制備、后處理及表面狀態。

圖二，3D打印Ti6Al4V原始態與熱等靜壓處理后的相與微觀組織。

圖三，SMAT處理后3D打印Ti6Al4V表面梯度納米結構。

圖四，SMAT處理后3D打印鈦合金S-N曲線及疲勞斷口。

總之，這項研究展示了SMAT制備的表面梯度納米結構的重要性，為3D打印鈦合金植入物在醫療行業的應用帶來了新的探索和借鑒。

文獻鏈接：https://doi.org/10.1080/21663831.2019.1609110

作者介紹：

呂堅教授現任香港城市大學（研究及科技）副校長及研究生院院長，機械工程學院講座教授，先進結構材料研究中心主任，香港工程科學院院士，法國國家技術科學院士。2006年及2017年曾兩次獲得由法國總統親自任命的“法國政府頒授法國國家榮譽騎士勛章”及“法國國家榮譽軍團騎士勛章”，2018年獲得“中國工程界最高獎”第十二屆光華工程科技獎。呂堅教授的研究方向涉及先進納米結構材料的制備和力學性能，實驗力學，材料表面工程和仿真模擬，生物與仿生材料力學，航空航天材料與結構預應力工程，3D打印先進材料與產品集成設計等。

劉敏教授現任廣東省科學院副院長，現代材料表面工程技術國家工程實驗室主任，中國材料研究學會常務理事，廣東省新材料研究學會常務副理事長，中國機械工程學會表面工程分會副主任，中國腐蝕學會高溫腐蝕與防護專業委員會分會副主任，先后主持和參加973、863、國際合作、軍工配套等項目30多項，多項技術已經應用于航空、鋼鐵、包裝印刷和能源等國民經濟部門。入選“新世紀國家百千萬人才工程”，享受國務院政府特殊津貼，獲國家科技進步二等獎1項、省部級一等獎4項、省部級二等獎5項。劉敏教授的研究方向涉及先進高溫功能涂層開發及產業化應用，新型3D打印生物醫療植入物研究與產品開發，固體氧化物燃料電池開發及產業化應用等。

本文由作者團隊供稿。

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