大家好，我是小睿。最近我注意到一个挺奇怪的事儿，关于3D打印这项技术，说了好多年了，能一次性打印出复杂的零件，节省材料又省时间，听着确实挺牛的。
不过呢，这项技术在航空发动机这些关键领域，工程师们一直还是挺谨慎的，始终没敢完全放手用。今天咱们就来细细讲讲这个事儿。
原因其实就挺 straightforward 的，打印出来的金属零件里面容易藏着小气孔，那些用肉眼看不出来的瑕疵，在飞机发动机那种反复震动、高温高压的环境里，就变成了定时炸弹似的威胁。
不过，最近中科院金属所搞了一项重大突破，正逐步打破这个难题。
3D打印材料的先天缺陷
钛合金被叫做太空金属，它的密度只有钢的六成，但强度却能跟高强钢一较高低，在航空航天行业可是备受青睐的材料。
用传统的方法加工钛合金部件，不但材料浪费严重，还得为那些复杂的结构拆成好几块焊接在一起，搞得繁琐又费事。
3D打印本来就是为了解决这些烦恼的。它靠着逐层叠加材料，想做什么样的形状都没问题，材料利用率也高，复杂的结构还能一次性成型，方便又高效。
美国通用电气公司借助3D打印技术制作的LEAP发动机燃油喷嘴，把原本20个零件合成了一个，重量轻了大约25%，耐久性也提升了五倍。
不过，麻烦也就从这里开始了。金属3D打印得靠激光将金属粉末融化，熔池的快速冷却和复杂的热循环一起来，导致材料内部常常会残留一些气孔。这些微小的孔洞平常看不出有什么毛病，可零件经常受力一来，这些小孔就可能成为裂缝的导火索。
在很长一段时间内，行业普遍觉得3D打印的材料天生就有“疲劳短板”。正因如此，像航空发动机的叶片、航天用的承力支架这些关键零件，一直都不敢大量采用3D打印的零件。
NAMP工艺的破局之道
从2024年开始，中国科学院金属研究所的张哲峰研究员领衔的团队，就一直在攻关这个难题。
他们首次明确指出：理想情况下，用3D打印技术直接制造出来的钛合金结构本身应该具备天然的超强耐疲劳性能，而在打印过程中出现的气孔等缺陷，却成为影响疲劳表现的短板，掩盖了材料本身抗疲劳的优势。
就是说，3D打印的钛合金原本挺不错，只是那些微小的气孔拉低了它的表现。只要把气孔搞掉，还能保持原有的微观结构，疲劳性能肯定会提升不少。
研究人员首次在Ti-6Al-4V合金里发现，高温下3D打印态的组织出现晶界迁移和气孔变大以及相转变的过程，并没有同步进行。这就意味着有一个很重要的热处理工艺空间，不但可以让板条组织变得更细，还能防止气孔重新出现。
根据这个发现，团队开发出了NAMP工艺。先用高温高压将气孔压实，然后通过严密控制的热处理，让材料的组织恢复到接近最初打印时的状态。
经过大量疲劳测试，发现这种接近净增材制造组织的拉-拉疲劳强度，从最初的475 MPa提升到了978 MPa，涨幅达106%。
三重防线的协同优化
到了2025年8月，张哲峰团队在《科学进展》杂志上又发表了他们的最新研究成果。
团队系统分析出钛合金容易出现疲劳裂纹的三种主要短板，以及它们对应的应力比敏感区间，发现没有微孔的净增材制造结构能够实现这三种疲劳短板的共同改善。
这里得提一下应力比的意思，毕竟金属零件在工作时受到的力不是一直一样的，而是反复变动的。
应力比呢，就是指循环中最小应力和最大应力的比例，不一样的应力比会引发不同的疲劳裂纹机制。以前的材料常常是“按下葫芦浮起瓢”，在某些应力比条件下表现不错，可换个工况就不灵了。
NAMP处理后的钛合金建立了三道防线：
第一层防线是那些微细的晶界，能够阻挡在低应力比条件下剪切裂缝的蔓延；第二层则是去除了气孔后形成的无瑕结构，有效缓解中等应力比情况下的应力集中问题；第三道则是留存的细小α板条，起到抵抗高应力比之下解理裂开的作用。
在整个应力比区间内，增材制造的Ti-6Al-4V合金的疲劳强度不仅比所有钛合金都要高，而且其比疲劳强度也全面超越其他金属材料。
也就是说，无论是钢、铝、镁还是高温合金，在“疲劳强度与密度之比”这项指标上，这款3D打印钛合金都跑赢了它们。
从实验室走向工程应用
这项成果不仅仅是打破了一个纪录，而是为航空航天领域复杂部件的设计和应用打开了新的路径。过去设计师用3D打印制造零件时，总会担心耐疲劳性能，现在这个担忧可以减轻不少。
在实际运用方面的推进也在加快。前几天，中国航发自主研发的3D打印极简涡喷发动机顺利完成了首次飞行试验。
这次飞行试验持续了30分钟，飞到6000米的高度，最大速度达到了0.75马赫，发动机都在正常运行，各项参数都没出问题。
目前，我国在连续纤维3D打印、多材料打印以及纳米级打印等领域取得了重大突破，技术水平已经达到了世界先进水平。现阶段，我国的3D打印技术与国际顶尖水平相比，基本没有差距。
从“天生短板”变成“性能顶尖”，中科院的团队用NAMP工艺验证了一件事：3D打印钛合金的问题不是技术没水平，而是之前我们没找对正确的办法。
这次的突破，为航空航天、能源设备等高端制造行业开启了全新的一扇门。
