《Advanced Materials》墨爾本理工大學3D打印鈦基超材料

來源：江蘇激光產業(yè)技術創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟

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

一種具有高強度和多功能性的突破性的輕質鈦基超材料已經被設計出來,。研究小組使用一種常見的鈦合金Ti-6Al-4V來制造鈦多拓撲“超材料”,。
增材制造的超材料是一種結構化的蜂窩材料，可通過結構創(chuàng)新實現(xiàn)非同尋常的機械和多功能特性,。其中,，空心支柱晶格（HSL）超材料已被證明具有出色的結構效率，其多功能結構是輕質,、生物醫(yī)學,、微流體和熱工程的理想選擇。
為了充分利用其結構效率并顯著擴展其機械外殼,，薄板晶格拓撲結構被無縫集成到 HSL 拓撲結構的內部空心空間中,。這種集成具有雙重目的：從根本上增強不規(guī)則HSL節(jié)點的抗變形能力，并在新拓撲結構中均勻分布外應力,，從而獲得超高強度。
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,，其相對屈服強度遠遠超過了所有蜂窩金屬的經驗上限,，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,，它們的絕對屈服強度大大超過密度相當?shù)逆V合金,，同時還保有Ti-6Al-4V的高耐腐蝕性、生物相容性,、耐熱性和其他獨特屬性,。鈦多拓撲超材料拓展了輕質多功能金屬材料的領域。

圖1：計算機輔助設計（CAD）模型及實際打印的鈦合金超材料樣品,。

打印超材料
研究團隊首先將整個晶格超材料樣品設計成數(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,，研究團隊計劃在未來縮短時間。

圖2：Ti-6Al-4V HSL節(jié)點（a,c,e）和 TP-HSL 節(jié)點（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度的兩種拓撲結構。大多數(shù)蜂窩材料都存在應力集中的薄弱點,，而這兩種互補晶格則不同,，它們在提供支撐的同時均勻分布應力。理想情況下,，所有蜂窩材料中的應力都應均勻分布,。然而，對于大多數(shù)拓撲結構來說,，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構上并不重要。

這種多拓撲設計還能促進裂紋路徑的偏轉,，從而提高韌性,。在研究的薄板空心支柱晶格拓撲結構中，支柱和板材共同作用,，使裂紋沿著更長的路徑偏轉,，而不是像大多數(shù)蜂窩材料那樣直接穿過晶格產生裂紋。
鎂合金目前用于要求高強度和輕量化的商業(yè)應用中,。與現(xiàn)有強度最高的鑄造鎂合金（WE54）相比,，密度相當?shù)拟伝�超材料樣品強度要高得多。此��,，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（光學圖像）和內部 μCT 圖像�,？梢杂^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響應。

圖5:相對屈服強度(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用
在這種材料實現(xiàn)商業(yè)化之前,，研究團隊首先要確保這種材料發(fā)揮最大效能。為此,，他們計劃改進目前的設計,，進一步強化和減輕鈦基超材料。例如,，根據(jù)數(shù)值模擬,，將調整薄板與空心支柱的比例,，使整個結構的應力分布更加均勻。

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 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或導彈,，能夠承受高速飛行產生的高熱量,。用于密切監(jiān)視或撲滅野火的鈦無人機也將受益于超材料的輕質、強度和耐熱性,。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)療設備。