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3D打印的优势——即结构材料的增材制造（AM）——因其令人失望的疲劳性能而受到严重损害。通常，较差的疲劳性能似乎是由当前印刷工艺过程引起的微孔的存在造成的。因此，我们提出的问题是，消除这种微孔是否可以为显著提高无空隙AM（Net AM）合金的抗疲劳性提供可行的解决方案。在这里，我们通过了解相变和晶粒生长的异步性，开发了Net AM处理技术，成功地在Ti-6Al-4V钛合金中重建了近似无空隙的AM微观结构。我们确定了这种AM微观结构的抗疲劳性，并表明它们导致约1的高疲劳极限 GPa，超过所有AM和锻造钛合金以及其他金属材料的疲劳抗力。我们证实了Net AM微观结构的高抗疲劳性以及AM工艺在生产具有最大疲劳强度的结构部件方面的潜在优势，这有利于AM技术在工程领域的进一步应用。
印刷态的微孔分布和微观结构以及其他三种。a–d，印刷AM（a）、HIP AM（b）、近净AM（c）和净AM（d）。a–d，左上角，准原位X射线断层扫描（XRT）试样的三维（3D）图像，评估微孔的大小和空间分布。右上角，基于α相的电子背散射衍射（EBSD）结果重建的PBG取向图，显示了PBG尺寸和形态的变化。IPFZ，沿z轴方向的反极图形。右下角，α相的反极图，表示α-板条和-菌落的大小和取向分布。左下角，扫描透射电子显微镜（STEM）显微照片，显示了α/α′-板条和β-相的尺寸和分布。基于几项系统研究，最终确定了采用净AM处理（NAMP）技术的净AM微观结构。比例尺，100 µm（a、b、d（右上）），20 µm（a–d（右下）），1 µm（a–d（左下角））。BD，建筑方向；最大，最大。
与其他Ti-6Al-4V合金相比，我们的合金具有拉伸和疲劳性能。a，单轴拉伸工程应力-应变曲线。b、 R时最大应力与循环次数（S–N）数据的关系 = 0.1. c、 疲劳强度楼梯图。印刷态的性质在我们之前的论文26中有详细描述。d、 e，与我们的AM（d）和锻造Ti-6Al-4V合金（e）的S–N数据文献的比较。根据ISO标准，对疲劳寿命和疲劳极限分布的不确定性进行了统计分析和处理 12107:2012，详细流程及相关参数见补充说明4。Net AM微观结构表现出优异的抗疲劳性，远高于锻造状态，表明AM Ti合金的抗疲劳性能较差主要是由微孔引起的，而不仅仅是由AM微观结构引起的。
与其他微观结构和材料相比，评估Net AM微观结构的疲劳强度和比疲劳强度。a，R处的疲劳强度 = 0.1相对于我们的工作和文献中报道的Ti-6Al-4V合金的拉伸强度（补充表3和4）。b、 我们的工作和文献中报道的其他材料的比强度与比疲劳强度（补充表3-11）。目前的Net AM Ti-6Al-4V不仅显示出优于AM和锻造Ti-6Al-IV合金的卓越疲劳强度，而且在所研究的所有材料中也显示出最高的比疲劳强度。
疲劳开裂模式和相应的微观结构信息。a，关于疲劳裂纹萌生位置的精确切片技术的示意图。b–d，NAMP状态下的最大应力σmax和失效循环Nf（b）：σmax = 1, 050 MPa，Nf = 389,272; HIP状态（c）：σmax = 825 MPa，Nf = 1,538,471; HIP + STA状态（d）：σmax = 875 MPa，Nf = 7,662,434. NAMP状态下的疲劳裂纹始于清洁的PBGBs，这是AM微观结构的一个常见特征，表明我们已经检测到了Net AM微观组织的抗疲劳性。比例尺，50 µm（b（左）、c（左）和d（左）），20 µm（b（插图）、c（插图）和d（插图））。IPFY，沿荷载（y）方向的反极图。 Zhan Qu, Zhenjun Zhang*, Rui Liu, Ling Xu, Yining Zhang, Xiaotao Li, Zhenkai Zhao, Qiqiang Duan, Shaogang Wang, Shujun Li, Yingjie Ma, Xiaohong Shao, Rui Yang, Jürgen Eckert, Robert O. Ritchie*, Zhefeng Zhang*, High fatigue resistance in a titanium alloy via near-void-free 3D printing, Nature, 2024, 626, 999. |
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