在航天航空等多个领域，轻质高强的钛合金体系一直是多种零部件的首要选择，但在这些构件的服役过程中，时常会不可避免地承受不同应力比的交变载荷，传统工艺制成的钛合金通常都局限在某一特定的应力比下保持良好的使用性能，而无法在全应力比下轻松应对交变载荷。近年来，近净成形的增材制造工艺（AM）大放异彩，但就目前而言，AM制备的钛合金因其内部的微孔缺陷而限制了合金的疲劳稳定性。

2025年8月22日《Science Advances》发表了一篇题为“Naturally high fatigue performance of a 3D printing titanium alloy across all stress ratios”的研究成果，中科院金属所的张振军研究员、刘睿副研究员、张哲峰研究员为论文共同通讯作者，在该论文中团队首次实现基于AM制备的在所有应力比条件下均展现天然高疲劳性能的Ti-6Al-4V合金，其疲劳性能不仅显著优于传统锻造钛合金，还超过了众多金属材料体系，这一发现为航空航天复杂构件的设计和应用开辟了新方向。

文章链接：

https://doi.org/10.1126/sciadv.ady0937

【核心内容】

团队通过原创设计的近无微孔3D打印工艺（NAMP）获得了兼具细小β晶界、超细α层片和无孔结构的Ti-6Al-4V合金，即消除了AM制备时常出现的微孔缺陷，又很好地保留了细小的β晶粒和层片α相，优化后的微观结构组成使得Ti-6Al-4V合金在不同应力比条件时有着不同的机制针对性地抑制裂纹的萌生和扩展，从而实现跨应力比的抗疲劳性能。

不同组织类型AM Ti-6Al-4V合金在不同应力比下的疲劳性能及开裂机理

【研究方法】

该研究团队提出的NAMP工艺结合了多道步骤实现：首先通过激光粉末床熔融（LPBF）制备的合金样品在真空550 ℃下进行2小时的应力消除处理，随后为了进一步减少微空洞，在920 ℃和150 MPa下进行了热等静压（HIP）工艺，并在氩气气氛中冷却，再结合高温短时间（HT-St）处理恢复有益的AM微结构特征。

Ti-6Al-4V合金在不同状态下的孔洞分布与显微组织

【研究成果】

① 跨应力比的全面高疲劳性能

得益于NAMP构建的独特的微观组织结构，Net-AM Ti-6Al-4V在全应力比范围内展现出卓越的抗疲劳性能，明显优于传统锻造制备和现有报道的基于AM工艺的Ti-6Al-4V合金，在比强度（即单位密度下的疲劳性能）方面，Net-AM Ti-6Al-4V超过了钢、铝、镁、铜合金以及高熵合金，成为目前已知在全应力比范围内综合抗疲劳性能最优的金属材料。

不同应力比下NAMP样品的疲劳性能对比

Net-AM钛合金与其他合金材料的疲劳性能对比

② 裂纹萌生机制的规律性转变

在低应力比条件下，裂纹往往从残余微孔萌生，在中等应力比下，裂纹既可能来源于晶界也可能起源于微孔，而在高应力比条件下，裂纹则主要在细化的晶界处形成，而Net-AM组织则凭借同时减少三类疲劳弱点，实现跨应力比的稳定高性能。

不同应力比下裂纹萌生位置与疲劳性能转变

【总结与展望】

该研究阐明了消除微孔缺陷后的AM微结构在所有应力比下具有天然的高抗疲劳性，证实了AM技术在生产具有复杂拓扑结构或复杂载荷条件的抗疲劳部件方面尚有未开发的优势，彻底改变了“AM合金疲劳性能不稳定”的固有印象，其在航空航天复杂构件（如发动机叶片、承力环件）中的应用前景十分广阔。