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图 近Net-AM组织钛合金的超高拉-拉疲劳强度(a)与比疲劳强度(b)
在国家自然科学基金项目（批准号：52321001、52322105）等资助下，中国科学院金属研究所张哲峰研究员、张振军研究员与美国加州大学伯克利分校Robert O. Ritchie教授等合作，制备出一种具有超高抗疲劳性能的3D打印钛合金材料，疲劳强度高达978MPa。相关研究成果以“近无微孔3D打印钛合金高抗疲劳性能（High fatigue resistance in a titanium alloy via near void-free 3D printing）”为题，于2024年2月28日发表于《自然》（Nature）杂志，论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07048-1。
3D打印技术因其得天独厚的自由成形能力充分满足了高端装备和构件对高集成性、多功能性、轻量化、一体化的需求，被认为是制造领域的颠覆性技术，并在航空航天等领域得到极大关注和初步应用。然而，与传统制造技术相比，3D打印制备的材料在循环载荷下的疲劳性能普遍较差，严重制约了其作为结构承力件的广泛应用。因此，如何提升3D打印材料与构件的疲劳性能是国内外学术界与工程界热切关注的焦点问题。
研究团队首次提出：理想状态下3D打印技术制备出的原始组织本身（称为Net-AM组织）应具有天然的超高疲劳性能，但打印过程中产生的气孔等缺陷掩盖了其自身组织抗疲劳的优点，导致其实际测量的疲劳性能严重偏低。然而，目前消除气孔的工艺往往伴随组织粗化，而细化组织的处理又会带来气孔复现，甚至引发晶界α相富集等新的不利因素；因此，如何在消除打印气孔的同时尽可能保留原始打印组织状态，是亟待突破的难点。为此，研究团队巧妙利用3D打印态组织晶界迁移及气孔长大与相转变过程的异步特性，发明了缺陷与组织分步调控的NAMP新工艺（Net-Additive Manufacturing Process）。该工艺既可实现板条组织细化，又能有效抑制晶界α相富集及气孔复现，最终在Ti-6Al-4V合金中成功制备出几乎无气孔的近Net-AM组织。这一近Net-AM钛合金充分展示出3D打印原始组织自身的超高疲劳性能，其拉-拉疲劳强度从初始态的475 MPa提升至978 MPa，增幅高达106%；这一疲劳强度水平不仅超越了所有已知的钛合金材料，而且打破了目前已报道所有材料中的比疲劳强度纪录。该成果更新了人们对3D打印材料疲劳性能不高的固有认识，揭示了3D打印技术在抗疲劳设计制造方面的独特优势，展现了3D打印材料作为结构承力件在航空航天等重要领域的广阔应用前景。