3D-utskrift kan lätt producera metallkomponenter med komplexa strukturer och lättviktsegenskaper, vilket är mycket attraktivt för nästa generations högpresterande utrustning, såsom flygplan och rymdfarkoster, som eftersträvar viktreduktion och integration. Metallkomponenter tillverkade med 3D-utskrift har dock i allmänhet en avgörande brist – dålig utmattningsegenskap, vilket innebär att de lätt utvecklar utmattningssprickor vid cyklisk belastning och därmed allvarligt begränsar deras nyckeltillämpningar. Nyligen har ett team under ledning av forskarna Zhang Zhefeng och Zhang Zhenjun vid Institutet för metallforskning, Kinesiska vetenskapsakademien (IMR, CAS), utvecklat en ny efterbehandlingsteknik för 3D-utskrift. Titanlegeringsmaterialet som framställs med denna NAMP-teknik visar en oöverträffad utmattningshållfasthet vid olika spänningsförhållanden, och dess omfattande utmattningsegenskaper överträffar alla kända metallmaterial, vilket därmed tar bort en större hinder för tillämpningen av 3D-utskriftstekniken inom högprecision och banbrytande områden. De relaterade forskningsresultaten har publicerats i tidskriften Science Advances.
I början av 2024 utvecklade teamet en ny NAMP-process som kan kontrollera materialets inre struktur och defekter med hög precision. Ti-6Al-4V, en av de vanligaste titanlegeringarna som framställs med denna process, kan eliminera både mikroporositeter och grova mikrostrukturer – båda är de främsta orsakerna till utmattning. Detta nya material slog världsrekordet för "specifik utmattninghållfasthet" under förhållanden med spänningsförhållande av typen "drag-drag".
Dock utsätts verkliga delar, såsom flygplansmotorsblad och landställ, för extremt komplexa spänningsförhållanden, inklusive inte bara "drag-drag" utan även "drag-kompression"-scenarier, vilket innebär att spänningsförhållandet varierar. Olika spänningsförhållanden kan utlösa olika skademechanismer inuti materialet. Mikrostrukturerna i traditionella titanlegeringar har ofta begränsningar – de presterar väl endast vid vissa specifika spänningsförhållanden men kan prestera sämre när spänningsförhållandet ändras. Detta gör det mycket svårt att tillverka ett material som presterar väl under alla driftsförhållanden.
Inför denna mer komplexa utmaning identifierade forskningsteamet flera svaga länkar i titanlegeringar som är benägna att utveckla utmattningssprickor samt de spänningsmoder under vilka dessa uppstår. Med hjälp av NAMP-processen tillverkades nästan porfria 3D-printade strukturer som kan optimera alla svaga länkar samtidigt. Denna 3D-printade titanlegering har egenskapen att bibehålla hög utmattningshållfasthet även vid full spänningsförhållande.
Experimentella data visar att utmattningshållfastheten hos detta nya material, vid utmattningstester med olika spänningsförhållanden, inte bara överträffar alla titanlegeringar utan dess "specifika utmattningshållfasthet" är också totalt sett bättre än alla metallmaterial, vilket sätter ett nytt världsrekord.
EN