蘇州大學/蒙納士大學：4萬字頂刊綜述（IF=26.8），增材制造鈦合金—結構應用迎來可靠性加速

近期，蘇州大學和蒙納士大學增材制造中心（Monash Centre for Additive Manufacturing，MCAM）聯(lián)合多家機構在 Materials Science & Engineering R（IF = 26.8）發(fā)表長篇綜述論文《Fatigue and damage tolerance performance of additively-manufactured titanium alloys for structural application: A comprehensive review》，系統(tǒng)評述增材制造（AM）鈦合金在結構承載中的疲勞與損傷容限表現(xiàn)，重點覆蓋極端服役溫度與缺陷/組織影響機制，為工程裝機與合規(guī)評估提供路線圖。

https://doi.org/10.1016/j.mser.2025.101135

論文指出，鈦合金憑借“高比強度+耐蝕性+性價比（buy-to-fly）”優(yōu)勢，已在航空航天等領域率先實現(xiàn)AM應用：包括已獲EASA批準用于IAE-V2500發(fā)動機防冰系統(tǒng)的A-Link，以及多項通過FAA認證的波音飛機結構件；AM鈦合金部件也已在壓氣機盤最高約450 ℃的高溫與液氫泵葉輪?253 ℃的深低溫環(huán)境中經(jīng)受驗證。

在具體案例上，L-PBF制造的A350拓撲優(yōu)化Ti-6Al-4V支架實現(xiàn)約30%減重，成為典型的輕量化與快速交付范例；大尺寸方面，L-DED/WAAM適合米級長桁與壓力容器等大型承載件制造，相關原型驗證顯示可在滿足性能指標的前提下，節(jié)省約65%交付周期、減少約80%原材料用量；而粘結劑噴射（Binder Jetting）鈦合金已用于生產(chǎn)通過飛行資質的衛(wèi)星與e-VTOL支架，顯示出燒結系AM路線的產(chǎn)業(yè)化潛力。

綜述指出，孔隙與熔合不良、柱狀晶取向、非平衡相以及拉向殘余應力等“AM遺傳問題”，是導致疲勞壽命離散度高、下限偏低的關鍵。相較“強度達標”，工程更關心“能用多久、下限在哪里”，尤其在航空結構中，疲勞相關的失效占比極高。圍繞“缺陷—組織—應力—表面狀態(tài)”的四要素，研究者提出以缺陷容限為起點、貫通微觀組織調控與近表層質量控制的閉環(huán)路徑。

在可操作層面，機械加工與電化學拋光等表面后處理能顯著削弱幾何缺口效應；HIP（熱等靜壓）有助于閉合內部孔隙并降低缺陷敏感性；后續(xù)熱處理用于穩(wěn)定并細化組織、降低馬氏體帶來的脆性風險；通過參數(shù)優(yōu)化與預熱/后熱策略，可減小有害拉殘余應力。將“工藝窗口—HIP—熱處理—表面工程—檢驗與質控”打包為 Net-AM 鏈路，有望在不犧牲設計自由的前提下，實質性抬升疲勞下限并收斂數(shù)據(jù)離散度，為關鍵承載件的工程準入奠定基礎。

除了最常研究的 Ti-6Al-4V，綜述亦覆蓋 α、α+β 與 β 系多種鈦合金，并討論不同服役溫區(qū)下的適配策略。對工程實踐而言，把“可制造性—可檢測性—可認證性”前置到設計階段，建立面向構件級的工藝—組織—性能數(shù)據(jù)庫與可追溯質控，將“強度優(yōu)勢”真正轉化為“壽命與可靠性優(yōu)勢”。用研究團隊的話說，“當我們把缺陷、組織與應力一起治理，再把近表層狀態(tài)‘補上最后一公里’，AM 鈦合金的結構安全邊界會被顯著推高”。

針對工程落地，作者團隊從“缺陷—表面—組織—殘余應力”的耦合視角梳理了高周疲勞、裂紋擴展、斷裂韌性在室溫、高溫（350–400 ℃）與深冷（?196 ℃至?253 ℃）條件下的規(guī)律，并給出材料/工藝/后處理的優(yōu)化方向；同時展望了Binder Jetting與多光束“面曝光”等低成本高通量工藝在結構關鍵件中的應用前景與質保挑戰(zhàn)（如雜質控制、燒結收縮與翹曲管理、能量分布與顯微組織調控等）。

增材制造各式鈦合金的高周疲勞性能的總結

增材制造各式鈦合金的高溫高周疲勞性能的總結

增材制造各式鈦合金的斷裂韌性的總結

通訊作者簡介：

張愷（Kai Zhang）：博士畢業(yè)于Monash大學，2015年至2019年在Monash大學增材制造中心工作，期間從事增材制造鈦合金相關研究。目前為蘇州大學的副教授。他的研究方向涵蓋增材制造金屬材料的組織調控、力學性能優(yōu)化，以及高強度承載部件的疲勞與斷裂行為。張博士長期關注“如何讓3D打印金屬不僅能做出來，而且能安全用起來”，重點聚焦缺陷抑制、殘余應力控制和后處理熱工藝，為增材制造結構件的工程化認證提供實驗依據(jù)與思路。

朱玉滿（Yuman Zhu）：博士畢業(yè)于Monash大學，目前擔任Monash大學增材制造中心副主任（Deputy Director, MCAM），并且是材料科學與工程系的ARC Future Fellow。朱博士的研究聚焦高性能金屬的增材制造，利用先進顯微表征技術研究快速凝固、相變行為和組織演化機制，旨在建立“增材制造工藝-顯微組織-服役性能”的因果聯(lián)系，推動增材制造金屬材料（尤其是鈦合金）在實際工業(yè)環(huán)境中可靠應用。

黃愛軍（Aijun Huang）分別于東北大學，中科院金屬研究所及英國伯明翰大學獲得工學學士、碩士及博士學位。他是英國材料、礦業(yè)與礦物學協(xié)會的會士、特許工程師和特許科學家。他目前擔任Monash大學工學部分管外事的副院長，負責工學領域校際合作、企業(yè)合作，政府關系等國際合作事宜。同時他也是材料科學工程學院、機械及航空工程學院雙聘終身教授、Monash大學25個校級交叉研究中心之一的Monash增材制造中心（MCAM）主任。黃愛軍教授的研究工作包括：增材制造專用合金設計；金屬粉末制造技術；增材制造的零件設計；增材制造過程的優(yōu)化；增材制造后處理工藝的開發(fā)，包括最終增材制造零件的檢驗、質量認證以及適航認證研究。此外，他的研究領域還包括傳統(tǒng)航空金屬材料的物理冶金及加工工藝研究。

本文來自“材料科學與工程”公眾號，感謝論文作者團隊支持。

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