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钛合金疲劳性能研究在增材制造领域获新进展

2020-06-04 10:41:31 298

3D打印又叫增材制造,它是2020年的一种新型制造方式,具有节省制作材料、制造方便快捷、可按需求定制等优势,近年来不断受到航天、航空、医疗器械、汽车、建筑等领域的重视。由于其在工业领域的大量需求,3D打印材料的疲劳性能(尤其是超高周疲劳性能)和相应的疲劳机理成为3D打印材料研究领域迫切需要解决的问题之一。

中科院力学研究所金属材料微结构与力学性能课题组,近期在3D打印钛合金(Ti-6Al-4V)疲劳特性上展开了一系列研究工作。课题组对3D打印钛合金材料进行了疲劳性能的测试,获得了材料高周及超高周疲劳性能。通过对疲劳断口的观察,报道了3D打印钛合金材料高周及超高周疲劳裂纹均萌生于材料内部孔洞及未融合缺陷,并形成了“鱼眼状”断口形貌的新现象。这和传统锻造金属材料的疲劳特征与裂纹萌生机理大不相同。根据裂纹源的尺寸分布特征,构建了疲劳性能与裂纹尺寸之间的统计关联。该课题组基于材料疲劳寿命数据和疲劳裂纹缺陷尺寸,进行了概率统计P-S-N分析,得到该材料的高周、超高周疲劳失效概率与疲劳寿命、外加载荷的关系。此外,为进一步探索疲劳裂纹扩展特性,课题组利用原位疲劳加载装置,获得了不同温度下、不同制备取向的Ti-6Al-4V裂扩展速率,揭示了不同取向3D打印钛合金材料疲劳裂纹扩展的机制。

该研究不仅为3D打印钛合金材料的工程应用提供了有效的疲劳性能数据。同时,对于探索3D打印钛合金材料的裂纹萌生及扩展机制奠定了理论基础。

钛合金疲劳性能研究在增材制造领域获新进展(图1)

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