中科院在增材制造钛合金疲劳性能研究中取得进展，可指导设计和生产

高周、超高周疲劳测试试样

S-N曲线、超高周疲劳强度统计分布

根据裂纹源尺寸的分布特征，构建了疲劳性能与裂纹尺寸之间的统计关联。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，揭示了不同取向增材制造钛合金疲劳裂纹扩展的机制。

不同温度、不同制备取向，裂纹长度随疲劳周次变化

主要结论

1. 发现材料的疲劳性能与打印方向有关，水平打印试样的疲劳性能优于倾斜45度和垂直打印的试样，后者相比水平样品有更多和更大的缺陷和未熔颗粒。

2. SLM过程中形成的缺陷会影响裂纹的扩展行为，局部结构如缺陷和夹杂的不均匀性改变了裂纹扩展路径，降低了裂纹扩展速率。

3. SLM制备的Ti-6Al-4V试样的裂纹扩展速率随温度的升高而增大。高温下裂纹扩展过程中会产生大量二次裂纹。二次裂纹的分支释放了裂纹尖端的能量，从而减缓了裂纹的扩展。

采用SLM制造的复杂结构零件经常受到循环载荷的作用，疲劳强度是工程应用的一个基本特性。基于以上发现，为了提高零件的疲劳强度，首先要用有限元法进行力学分析，找出结构中的薄弱点，然后根据本研究的结论，选择有利于薄弱位置的打印方向，那么整个复杂零件的疲劳强度都会得到提高。

本项研究的结果为从构建方向的角度设计结构提供了一个方案，在更深入的研究中，还会涉及到结构设计优化的问题，这需要进一步的精确研究。

END

该研究不仅为增材制造钛合金的工程应用提供了有效的疲劳性能数据，同时，对于探索增材制造钛合金的裂纹萌生及扩展机制奠定了理论基础。

此外，该研究得到了国家自然科学基金重点项目、中科院率先行动计划项目支持。相关工作近期发表在疲劳研究领域期刊International Journal of Fatigue，并得到国际同行的高度评价，作者为钱桂安研究员。

注：部分内容参考自中科院之声，研究原文已上传。