3D打印“抗疲劳”取得重大突破，这次剧情反转由中国科学家发现！

如果你关注科技新闻，就会知道3D打印的产品早就“上天”了。

这是NASA的火箭喷管：

图片来源：中国机械工程学会、奥本大学

这是歼20的主承力框：

图片来源：《鲁健访谈》节目

这是国产大飞机C919的中央翼缘条（左一）、机头挡风窗框（左一）和燃油喷嘴（右二）：

图片来源：四川增材制造技术协会、《鲁健访谈》节目

这些都是3D打印出来的，甚至未来的月球基地都可能用3D打印来制造！

由于能够满足高端装备和构件高集成性、多功能性、轻量化、一体化等重大需求 ，3D打印技术在航空、航天领域得到极大关注和初步应用。看起来，星辰大海的路可以用3D打印铺成？

不过，目前3D打印的应用还存在一些隐忧，比如用于打印的材料会“疲劳”，极大地制约了它的广泛应用，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。

近期，中国科学院金属研究所张哲峰研究员与张振军研究员，带领曲展博士生，在前期疲劳损伤机制和疲劳预测理论指导下，在3D打印钛合金抗疲劳方面取得了突破性进展，相关研究成果于2024年2月28日以题为“近乎无空隙3D打印钛合金的高抗疲劳性（High fatigue resistance in a titanium alloy via near void-free 3D printing）”发表在《自然》（Nature）杂志上。

材料的疲劳问题是怎么回事？如何让3D打印材料抗疲劳？让我们从3D打印的原理说起。

3D打印的原理：从“减材”到“增材”

传统的工业制造方法是“减材制造”，通过车削、刨、铣等工艺，将大块的原始材料“消减”加工成所需形状、尺寸和质量的器件。

不过，如果要制造形状复杂或者大型的结构件，传统制造经常面临加工成型性的问题，需要先加工多个简单零部件然后再组装，因此设计空间有限。此外，传统制造经常需要切削掉大量材料，因此加工成本高，材料利用率低。

车削加工 | veer图库

这种情况下，就需要3D打印上场了。

与传统的“减材”制造方法相反，3D打印制造技术是“增材”，以计算机三维数字模型为基础，利用激光等高能热源将原料以积分的方式逐层熔化、累积，最终得到目标实体。这种制造方法具有自由成型、材料利用率高、制备周期短等特点，可以快速制造大型复杂构件。

图片来源：德马吉DMG数控机床展示: Additive Manufacturing - LASERTEC 65 3D

比如文章开头看到的那些用于航空航天的大型构件，都是利用钛合金材料3D打印制造的。钛合金具有重量轻、强度高、耐腐蚀、耐高温等特性，被誉为“现代工业钢铁”“太空金属”等，所以钛合金的3D打印在各种重大装备上具有广阔的应用前景。但是，要想这些前景都变为现实，还得解决最关键的“疲劳问题”。

金属也会“疲劳”，

3D打印者最头疼的问题之一

金属的“疲劳”是指在交变外力的反复作用下，材料内部的缺陷会逐渐累积、演化，从而导致裂纹的萌生和扩展，最终发生瞬间断裂。因此，疲劳是一个缓慢的过程，具有很高的隐蔽性，经常是毫无征兆的瞬间断裂发生之后才能发现疲劳的存在，因此预测和优化难度高。此外，疲劳对缺陷非常敏感，即使小尺寸缺陷所引起的应力集中，也会加剧疲劳损伤的演化和裂纹的萌生。人们常说“眼里容不得沙子”，可以说，材料中的缺陷就是导致疲劳的 “沙子”。

典型轴类构件的疲劳断裂 | 作者提供

然而，3D打印过程中，却经常会出现“沙子”。3D打印会因高能量束流与金属粉末交互作用，产生大量的孔洞缺陷。而这些缺陷虽然尺寸很小，还是会严重恶化疲劳性能。比如应用于航空航天和高精尖领域的钛合金3D打印部件，在实际服役过程中长期承受气动冲击以及交变的疲劳载荷、疲劳问题将更加突出。

因此，疲劳性能差是最让3D打印研究者头疼的问题，严重限制了其在航空航天领域的广泛应用。甚至有人会认为，增材制造疲劳性能差是其天性，与这种组织特征本身有关。在大部分研究者纷纷陷入“天性差”的思维定式时，中国科学院金属研究所的研究人员提出了不同的观点，导致剧情出现了关键性反转。

"我本来就很强”

下面是大院er和张振军研究员的对话：

我们提出的不同观点是什么？

我们认为，先不要着急对其本性下结论，要判断3D打印基体组织本身的疲劳抗性，必须首先得把缺陷的影响排除。就像要测量一个人的真实身高，你总得先把鞋脱了呀。另一方面，从专业人士的角度看，3D打印相对细小均匀的组织本身应当具有优异的疲劳抗力。因此，我们首次提出：如果可以做出一个没有孔的3D打印钛合金，它的疲劳抗性可能会超乎你的想象！

探索这个问题对3D打印有什么意义呢？

这个问题的澄清对3D打印技术的发展非常重要。如果3D打印组织本身的疲劳抗力很差，那么目前大伙儿努力地摸索工艺去抑制和消除缺陷，有可能在疲劳性能提升方面收效甚微、得不偿失。但如果3D打印组织本身的疲劳抗力很高，那么大家的努力才有意义。想要一探3D打印组织本身抗疲劳性究竟如何，最简单的办法就是消除打印气孔，只保留原始组织。

那么我们怎么才能做出没有孔的钛合金？

看起来很简单。然而，简单的事情永远没有那么简单。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的复现，甚至引发晶界α相富集等新的不利因素，可谓进退维谷。

幸运的是，我们发现，3D打印态组织在高温下存在一个珍贵的工艺窗口，既可实现板条的细化，又能有效抑制上述晶界α相的富集及气孔的复现。于是，我们利用这一窗口期发明了一种新工艺，最终近似制备出了无气孔的3D打印组织。

听起来确实是个简单的事儿，那无气孔打印组织疲劳抗性怎么样呢？

我们发现3D打印组织本身真的具有很高的疲劳抗性：其拉-拉疲劳强度从原始打印态的475 MPa提升至978 MPa，增幅高达106%（见下图）。通过对比发现，这种组织不仅在所有钛合金材料中具有最高的拉-拉疲劳强度，而且在目前已报道的材料疲劳数据中，还具有最高的比疲劳强度（疲劳强度除以密度），也就是打破了这一领域的世界记录。

本研究工作制备的3D打印组织钛合金的疲劳性能（R=0.1）：（a）其拉-拉疲劳强度与其它增材和锻造钛合金对比；（b）其比疲劳强度与他材料对比。

视频提供：中国科学院金属研究所

结语

这项成果可谓更新了人们以往对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。

作者：曲展 张振军

作者单位：中国科学院金属研究所

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