《Advanced Materials》墨爾本理工大學(xué)3D打印鈦基超材料

來源：江蘇激光產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟

澳大利亞皇家墨爾本理工大學(xué)研究團(tuán)隊報道了3D打印超強(qiáng)度鈦基超材料,，或可用于航空航天,、醫(yī)療設(shè)備生產(chǎn)的研究,，可能會給制造業(yè)和高速航空帶來革命性的變化,，促進(jìn)更強(qiáng)大的醫(yī)療設(shè)備和創(chuàng)新的飛行器和航天器設(shè)計,。該研究以“Titanium Multi-Topology Metamaterials with Exceptional Strength”為題發(fā)表在《Advanced Materials》上,。

一種具有高強(qiáng)度和多功能性的突破性的輕質(zhì)鈦基超材料已經(jīng)被設(shè)計出來,。研究小組使用一種常見的鈦合金Ti-6Al-4V來制造鈦多拓?fù)洹俺�材料”�?br /> 增材制造的超材料是一種結(jié)構(gòu)化的蜂窩材料，可通過結(jié)構(gòu)創(chuàng)新實現(xiàn)非同尋常的機(jī)械和多功能特性,。其中,，空心支柱晶格（HSL）超材料已被證明具有出色的結(jié)構(gòu)效率，其多功能結(jié)構(gòu)是輕質(zhì),、生物醫(yī)學(xué),、微流體和熱工程的理想選擇。
為了充分利用其結(jié)構(gòu)效率并顯著擴(kuò)展其機(jī)械外殼,，薄板晶格拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)被無縫集成到 HSL 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的內(nèi)部空心空間中,。這種集成具有雙重目的：從根本上增強(qiáng)不規(guī)則HSL節(jié)點(diǎn)的抗變形能力，并在新拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中均勻分布外應(yīng)力,，從而獲得超高強(qiáng)度,。
這種薄板集成空心支柱晶格（TP-HSL）超材料采用密度為1.0-1.8 g cm-3的鈦合金Ti-6Al-4V制成，其相對屈服強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了所有蜂窩金屬的經(jīng)驗上限,，包括由各種金屬合金制成的HSL和實心支柱晶格（SSL）超材料,。此外，它們的絕對屈服強(qiáng)度大大超過密度相當(dāng)?shù)逆V合金,，同時還保有Ti-6Al-4V的高耐腐蝕性,、生物相容性、耐熱性和其他獨(dú)特屬性。鈦多拓?fù)涑�材料拓展了輕質(zhì)多功能金屬材料的領(lǐng)域,。

圖1：計算機(jī)輔助設(shè)計（CAD）模型及實際打印的鈦合金超材料樣品,。

打印超材料
研究團(tuán)隊首先將整個晶格超材料樣品設(shè)計成數(shù)字模型。然后,，使用軟件工具將該模型數(shù)字化地切成許多薄層,。這種基于層的制造過程包括激光熔化金屬粉末、液態(tài)金屬（熔化的金屬粉末）的快速凝固以及凝固金屬的反復(fù)加熱和冷卻過程,。目前整個過程大約需要18個小時,，但通過優(yōu)化，研究團(tuán)隊計劃在未來縮短時間,。

圖2：Ti-6Al-4V HSL節(jié)點(diǎn)（a,c,e）和 TP-HSL 節(jié)點(diǎn)（b,d,f）在密度(ρ*)為 1.0 g cm-3,、1.5 g cm-3 和 1.8 g cm-3 時的各向同性線性彈性有限元分析。Kt 是應(yīng)力集中系數(shù),，A 是受壓橫截面積,，F(xiàn) 是外加壓縮力。

是什么讓這種材料如此堅固,？
空心支柱和薄板是超材料具有高強(qiáng)度的兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),。大多數(shù)蜂窩材料都存在應(yīng)力集中的薄弱點(diǎn)，而這兩種互補(bǔ)晶格則不同,，它們在提供支撐的同時均勻分布應(yīng)力。理想情況下,，所有蜂窩材料中的應(yīng)力都應(yīng)均勻分布,。然而，對于大多數(shù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來說,，通常只有不到一半的材料主要承受壓縮載荷,，而較大體積的材料在結(jié)構(gòu)上并不重要。

這種多拓?fù)湓O(shè)計還能促進(jìn)裂紋路徑的偏轉(zhuǎn),，從而提高韌性,。在研究的薄板空心支柱晶格拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，支柱和板材共同作用,，使裂紋沿著更長的路徑偏轉(zhuǎn),，而不是像大多數(shù)蜂窩材料那樣直接穿過晶格產(chǎn)生裂紋。
鎂合金目前用于要求高強(qiáng)度和輕量化的商業(yè)應(yīng)用中,。與現(xiàn)有強(qiáng)度最高的鑄造鎂合金（WE54）相比,，密度相當(dāng)?shù)拟伝�超材料樣品�?qiáng)度要高得多。此外,，由于粉末氣化,，鎂合金也不適合激光粉末床熔融或3D打印，因此鈦合金在制造方面具有優(yōu)勢,。

圖 3：密度為 (a) 1.8 g cm-3,、(b) 1.5 g cm-3和 (c) 1.0 g cm-3的LPBF 制成的 Ti-6Al-4V TP-HSL 試樣的外部照片（光學(xué)圖像）和內(nèi)部 μCT 圖像,。可以觀察到 CAD 模型和制造出來的試樣之間具有很高的一致性,。

圖 4：Ti-6Al-4V HSL和 TP-HSL試樣對單軸壓縮的力學(xué)響應(yīng),。

圖5:相對屈服強(qiáng)度(a)和相對彈性模量(b)與相對密度的Gibson-Ashby模型對數(shù)圖。

下一步計劃和潛在應(yīng)用
在這種材料實現(xiàn)商業(yè)化之前,，研究團(tuán)隊首先要確保這種材料發(fā)揮最大效能,。為此，他們計劃改進(jìn)目前的設(shè)計,，進(jìn)一步強(qiáng)化和減輕鈦基超材料,。例如，根據(jù)數(shù)值模擬,，將調(diào)整薄板與空心支柱的比例,，使整個結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布更加均勻。

據(jù)研究人員稱,，如果超材料是用高溫鈦合金制造的,，那么它可以在高達(dá) 600°C的溫度下使用。這一特性以及耐腐蝕性使這種材料適用于高速飛行的飛機(jī)或?qū)���,，能夠承受高速飛行產(chǎn)生的高熱量,。用于密切監(jiān)視或撲滅野火的鈦無人機(jī)也將受益于超材料的輕質(zhì)、強(qiáng)度和耐熱性,。由于超材料還具有生物相容性,，因此還可用于骨植入等醫(yī)療設(shè)備。