中国科学院研发出新型3D打印“全能”钛合金刷新了世界纪录

9 月 2 日消息，中国科学院金属研究所宣布成功研发出了一种新型 3D 打印后处理技术，制备出具备“全能”抗疲劳性能的钛合金材料，刷新了金属材料抗疲劳性能的世界纪录。

相关研究成果已于 2025 年 8 月 22 日发表于《科学进展》（IT之家附 DOI:10.1126 / sciadv.ady0937），中国科学院金属研究所特别研究助理曲展博士为论文第一作者，张振军研究员、刘睿副研究员、张哲峰研究员为论文共同通讯作者。

这一成果揭示了 3D 打印（增材制造）技术制备的具有复杂拓扑结构、承受复杂载荷钛合金构件在抗疲劳方面的天然优势，为其在航空航天等领域作为动载承力构件应用奠定基础。同时，该研究也为锻造钛合金不同应力比下的疲劳性能优化设计提供了新的思路。

据中国科学院介绍，3D 打印凭借在复杂金属构件上得天独厚的自由成形能力，极大地满足了新一代航空装备对轻量化、高集成度的重大需求，有望替代传统制造方法实现高端装备关键构件的智能制造。不过，这一巨大的应用前景长期以来受制于增材制造材料及构件普遍较差的疲劳性能。

为解决 3D 打印材料抗疲劳的国际难题，2024 年 2 月中国科学院金属研究所材料疲劳与断裂团队与钛合金团队合作提出了组织与缺陷耦合调控的 NAMP 工艺，成功制备出具有超高拉-拉疲劳性能的近无微孔 3D 打印 Ti-6Al-4V 合金材料，突破所有材料拉-拉比疲劳强度世界纪录，更新了人们以往对 3D 打印材料疲劳性能不高的固有认识。

然而，实际工程构件的服役环境一般非常复杂，常常伴随着加载应力比的显著变化。当材料或构件所承受的外部应力比变化时，循环应力幅值和最大应力的分配比例也随之改变，进而诱发不同疲劳开裂机制之间的转变。这种“此消彼长”的开裂规律使得传统钛合金组织难以在全应力比范围内均保持优异的疲劳性能，一种显微组织类型往往仅在特定应力比范围内表现出抗疲劳优势。

▲ 不同显微组织类型的 Ti-6Al-4V 合金在不同应力比条件下的疲劳强度及对应的疲劳开裂机制。

尤其是对于具有复杂结构的增材制造构件，其实际服役过程中的应力分布更为复杂，不可避免地会承受具有多变应力比的疲劳载荷。因此，如何实现全应力比条件下的高抗疲劳能力是决定增材制造技术能否在航空航天等领域规模化应用的关键，也是亟待解决的科学难题之一。

▲ Net-AM 组织 Ti-6Al-4V 合金在不同应力比下的典型疲劳断口和对应的疲劳裂纹萌生机制。（A）应力比 R=-1：微孔缺陷开裂；（B）应力比 R=-0.5：微孔缺陷开裂；（C）应力比 R=0.1：微孔缺陷开裂和显微组织开裂共存；（D）应力比 R=0.5：显微组织开裂；（E）应力比变化，Net-AM 组织 Ti-6Al-4V 合金疲劳裂纹萌生位置转变及其对应的疲劳强度变化示意图。

针对新的挑战，材料疲劳与断裂研究团队最近系统揭示了钛合金易发生疲劳开裂的三类典型“疲劳短板”及其应力比敏感区间，发现无微孔净增材制造（Net-AM）组织可实现三类疲劳短板的协同优化。据此，团队明确提出：3D 打印钛合金在全应力比条件下仍具有天然高的抗疲劳特性。基于团队前期原创的 NAMP 工艺，制备出近似无微孔的 Net-AM 组织 Ti-6Al-4V 合金，并对其在不同应力比条件下的疲劳强度和疲劳开裂机制进行了表征。大量数据对比分析表明：在全应力比范围内，Net-AM 组织 Ti-6Al-4V 合金的疲劳强度不但整体优于所有钛合金材料，同时其比疲劳强度（疲劳强度除以密度）也全面优于所有金属材料。

▲ 与其他 Ti-6Al-4V 合金和常见的金属结构材料相比，Net-AM 组织 Ti-6Al-4V 合金在不同应力比下的疲劳强度分布。（A）应力幅 vs 平均应力；（B）材料密度归一化的疲劳强度 vs 材料密度归一化的平均应力。

3D打印能轻松制造出结构复杂、轻量化的金属零件，这对于追求减重和一体化的新一代飞机、航天器等高端装备来说，极具吸引力。但3D打印的金属零件普遍存在一个“硬伤”——疲劳性能差，即反复受力后容易产生裂纹甚至断裂，严重限制其关键应用。近日，中国科学院金属研究所研究员张哲峰、张振军团队研发出一种新型3D打印后处理技术。通过该技术制造出的钛合金材料在各种应力比条件下都表现出前所未有的抗疲劳能力，其综合疲劳性能全面超越所有已知金属材料，为3D打印技术在高精尖领域的应用扫除了一个重大障碍。相关研究成果发表于《科学进展》。

2024年初，该团队发明了一种NAMP新工艺，能精确控制材料内部结构和缺陷。用这种工艺制备的一种最常用钛合金Ti-6Al-4V，可同时消除微孔和粗大组织，此二者都是导致疲劳的元凶。这种新材料在“拉-拉”应力比条件下，打破了“比疲劳强度”的世界纪录。

但飞机发动机叶片、起落架等现实中的零件，受力情况非常复杂，不但存在“拉-拉”，也存在“拉-压”等情况，即应力比在变化。不同应力比会引发材料内部不同的损坏机制。传统的钛合金微观组织结构往往“偏科”——只在某些特定的应力比下表现出好的一面，换另一种应力比就可能表现不佳。这使得制造一种能“通吃”所有工况的材料变得非常困难。

面对这个更复杂的难题，研究团队揭示了钛合金中几种容易导致疲劳开裂的薄弱环节，以及它们在哪种受力模式下会“发作”。他们利用NAMP工艺制造了近乎无孔洞的3D打印组织，可以同时优化所有薄弱环节，这种3D打印钛合金具备在全应力比条件下保持高疲劳强度的特性。

实验数据表明，在不同应力比疲劳测试中，这种新材料的疲劳强度不仅超过所有钛合金，其“比疲劳强度”也全面优于所有金属材料，刷新了世界纪录