金屬所最新Nature！！！

一、【科學背景】

增材制造技術可以打印任意形狀的結構件，從而可以大大降低其加工成本。鈦合金的熱成形性能差，傳統結構加工成本高。但是通過增材制造的鈦合金的缺點是其抗疲勞性能太差。通過對增材制造鈦合金的微觀組織進行深入觀察，可以發現微氣孔過多是其抗疲勞性能較差的主要原因。在循環載荷的作用下，微氣孔往往是疲勞裂紋的形核源。通過熱等靜壓等方法可以有效減少增材制造鈦合金中的微氣孔數量，但同時導致顯微組織的粗化，惡化材料的抗疲勞性能。如何同時細化增材制造鈦合金組織尺寸，減少微氣孔數量，是擺在世界科學家面前的難題。

二、【創新成果】

近日，來自中科院金屬研究所的張哲峰研究員、張振軍研究員和美國加州大學伯克利分校Robert O. Ritchie教授等人在經典雙相鈦合金中發明了一種凈增材制造工藝（Net-Additive Manufacturing Process，NAMP），制備出幾乎無氣孔的Ti-6Al-4V（Net-AM Ti-6Al-4V）合金。使其在循環載荷的作用下有效避免了疲勞損傷在氣孔、粗大板條及晶界α相等出的累積，具備超高的抗疲勞抗性，其拉-拉疲勞強度從原始態的475 MPa提升至 978 MPa，增幅高達106%，是目前幾乎所有金屬材料中報道的最高抗疲勞強度。相關成果以“High fatigue resistance in a titanium alloy via near-void-free 3D printing”發表在Nature上。金屬所博士研究生曲展為論文第一作者，張振軍研究員、美國加州大學伯克利分校Robert O. Ritchie教授、張哲峰研究員為論文通訊作者。

圖1 增材制造鈦合金的氣孔分布和微觀結構 ?2024 Springer Nature

圖2 本文增材制造合金與其他 Ti-6Al-4V 合金的拉伸和疲勞性能比較；a、拉伸工程應力-應變曲線；b, R = 0.1時的最大應力與循環次數(S-N)數據；c、疲勞強度階梯圖； d,e, 增材制造 (d)和鍛造Ti-6Al-4V合金(e)的S-N數據 ?2024 Springer Nature

圖3 Net-AM組織與其他組織和材料的疲勞強度和比疲勞強度評估；a, R = 0.1時Net-AM組織的疲勞強度與文獻中報道的Ti-6Al-4V合金的抗拉強度的對比；b， Net-AM組織和文獻中報道的其他材料的比強度與比疲勞強度的對比 ?2024 Springer Nature

圖4 疲勞裂紋及相應的顯微組織信息；a、疲勞裂紋起裂位置的精確表征技術示意圖；b - d, NAMP狀態下最大應力σmax和失效循環數Nf； (b): σmax = 1,050 MPa, Nf = 389,272; HIP狀態: (c) σmax = 825 MPa, Nf = 1538471;HIP+ STA狀態； (d)σmax = 875 MPa, Nf = 7662434 ??2024 Springer Nature

三、【科學啟迪】

本文創造性的發明了NAMP技術，為提高增材制造結構材料的抗疲勞性能開辟了新途徑；消除氣孔、細化組織不僅適用于提高增材制造鈦合金惡抗疲勞性能，還對提高其它結構材料的抗疲勞性能指明方向。

??? 論文詳情：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07048-1；

本文由虛谷納物供稿