近期，苏州大学金属材料与智能制造研究院团队在张恺副教授带领下，联合蒙纳士大学增材制造中心（MCAM）、俄亥俄州立大学及多家机构，在Materials Science & Engineering R（IF = 26.8）发表长篇综述论文《Fatigue and damage tolerance performance of additively-manufactured titanium alloys for structural application: A comprehensive review》。论文系统总结了增材制造（AM）钛合金在结构承载中的疲劳与损伤容限行为，并重点分析其在极端服役温区的性能规律与缺陷/组织影响机制，提出面向工程装机与合规评估的评价路线图。

论文指出，钛合金凭借“高比强度+耐蚀性+性价比（buy-to-fly）”优势，已在航空航天等领域率先实现AM应用：包括已获EASA批准用于IAE-V2500发动机防冰系统的A-Link，以及多项通过FAA认证的波音飞机结构件；AM钛合金部件也已在压气机盘最高约450 ℃的高温与液氢泵叶轮−253 ℃的深低温环境中经受验证（如图1所示）。

图1：（a） 展示L-PBF安装和制造工艺的示意图;（b） 空客A350的L-PBF Ti-6Al-4V支架;（c） 电子-公共足水（BBF）示意图;（d）EB-PBF钛合金液氢泵叶轮（直径：约20厘米）;（e）L-DED的示意图;（f）L-DED钛合金梁（长度：1.1米）;（g）WAAM示意图;（h）WAAM Ti-6Al-4V用于空间探索任务的合金压力容器（高度：约1米）。

然而，大多数已发表的研究发现，AM Ti-6Al-4V的疲劳性质，尤其是高周期疲劳性质，差异很大，例如L-PBF制造的A350拓扑优化Ti-6Al-4V支架实现约30%减重，成为典型的轻量化与快速交付范例；大尺寸方面，L-DED/WAAM适合米级长桁与压力容器等大型承载件制造，相关原型验证显示可在满足性能指标的前提下，节省约65%交付周期、减少约80%原材料用量；而粘结剂喷射（Binder Jetting）钛合金已用于生产通过飞行资质认证的卫星与e-VTOL支架，显示出烧结系AM路线的产业化潜力。

图2.除Ti-6Al-4V外增材制造钛合金的高周疲劳性能：（a）L-DED工艺处理的Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si、Ti-6Al-2Zr-Mo-V，以及Ti-6Al-2Mo-2Sn-2Zr-2Cr-2V（R=0.06）。黄色区域突出显示L-DED Ti-64的疲劳寿命以供对比。(b) L-PBF Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo、CP-Ti及Ti-6Al-7Nb（R = −1）。(c) EB-PBF Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe、Ti-5V-5Mo-5Al-3Cr及Ti-6Al-2Zr-Mo-V（R = 0.1）(d)熔池自熔式焊接Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr和Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.1SiR = −1）。

除此之外，孔隙与熔合不良、柱状晶取向、非平衡相以及拉向残余应力等“AM遗传问题”，是导致疲劳寿命离散度高、下限偏低的关键。相较“强度达标”，工程更关心“能用多久、下限在哪里”，尤其在航空结构中，疲劳相关的失效占比极高。围绕“缺陷—组织—应力—表面状态”的四要素，研究者提出以缺陷容限为起点、贯通微观组织调控与近表层质量控制的闭环路径。

图3.增材制造钛合金在不同测试温度下的高周疲劳性能：（a）L-PBF Ti-6Al-4V（R值统一设为−1），并与轧制Ti-6Al-4V对比。(b)熔融喷射造型的Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si合金，R值为0.1。(c) L-DED Ti-5.8Al-3.5Zr-3.5Sn-0.5Mo-2.0Ta-0.3Nb-0.4Si-0.8W（Ti-65）合金，其R值为−1。

值得关注的是机械加工与电化学抛光等表面后处理能显著削弱几何缺口效应；HIP（热等静压）有助于闭合内部孔隙并降低缺陷敏感性；后续热处理用于稳定并细化组织、降低马氏体带来的脆性风险；通过参数优化与预热/后热策略，可减小有害拉残余应力。将“工艺窗口—HIP—热处理—表面工程—检验与质控”打包为 Net-AM 链路，有望在不牺牲设计自由的前提下，实质性抬升疲劳下限并收敛数据离散度，为关键承载件的工程准入奠定基础。

图4. (a)不同处理工艺（HIP与热处理）下L-PBF Ti-64的疲劳裂纹扩展速率，并与传统制造的Ti-64进行对比。灰色区域代表常规制造的Ti-64材料。(b)所有FCG结果综合图。红色表示Z-X方向裂纹，蓝色表示X-Y方向裂纹。

除了最常研究的 Ti-6Al-4V，研究还包含α、α+β 与 β 系多种钛合金，并讨论不同服役温区下的适配策略。对工程实践而言，把“可制造性—可检测性—可认证性”前置到设计阶段，建立面向构件级的工艺—组织—性能数据库与可追溯质控，将“强度优势”真正转化为“寿命与可靠性优势”。

图5.增材制造钛合金的断裂韧性值及其与传统制造钛合金的对比。

研究从“缺陷—表面—组织—残余应力”的耦合视角梳理了高周疲劳、裂纹扩展、断裂韧性在室温、高温（350–400 ℃）与深冷（−196 ℃至−253 ℃）条件下的规律，并给出材料/工艺/后处理的优化方向；同时展望了粘结剂喷射与多光束、“面曝光”等低成本、高速3D打印工艺在结构关键件中的应用前景与质保挑战（如杂质控制、烧结收缩与翘曲管理、能量分布与显微组织调控等）。

苏州大学金属材料与智能制造研究院团队张恺副教授和蒙纳士大学增材制造中心黄爱军教授、朱玉满高级讲师为共同通讯作者。

文章链接：https://doi.org/10.1016/j.mser.2025.101135