RMIT研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)新型超強(qiáng)鈦結(jié)構(gòu),，比傳統(tǒng)合金強(qiáng)度提升50%

2024年4月22日，南極熊獲悉,，墨爾本皇家理工大學(xué)（RMIT）的研究人員成功利用3D打印技術(shù)制造出超強(qiáng)的鈦結(jié)構(gòu),。他們開(kāi)發(fā)了一種新的方法，通過(guò)將鈦粉末與石墨烯混合,，并使用激光進(jìn)行熔化,，制造出了具有出色強(qiáng)度和耐久性的鈦合金，比目前航空航天應(yīng)用中使用的類(lèi)似密度的次強(qiáng)合金強(qiáng)50%,。

△該研究成果已發(fā)表于《先進(jìn)材料》,，題目為“具有超常強(qiáng)度的鈦多拓?fù)涑�材料”（傳送門(mén)）

先進(jìn)制造業(yè)更理想的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路

該材料的晶格結(jié)構(gòu)最初靈感源自大自然，如維多利亞睡蓮或耐寒的風(fēng)琴管珊瑚等強(qiáng)健的空心莖植物,，它們展示了輕質(zhì)與強(qiáng)度相結(jié)合的方法,。然而，盡管人們幾十年來(lái)一直試圖在金屬中復(fù)制這些中空的“細(xì)胞結(jié)構(gòu)”,，但由于制造性和負(fù)載應(yīng)力集中在中空支柱內(nèi)部等常見(jiàn)問(wèn)題,，導(dǎo)致未能如愿。

通過(guò)將金屬3D打印設(shè)計(jì)推向極限,，研究團(tuán)隊(duì)優(yōu)化了一種新型晶格結(jié)構(gòu),，使應(yīng)力分布更加均勻，從而提高了其強(qiáng)度或結(jié)構(gòu)效率,。

△壓縮測(cè)試顯示（左）空心支柱晶格上的紅色和黃色應(yīng)力集中,，而（右）雙晶格結(jié)構(gòu)更均勻地分散應(yīng)力以避免熱點(diǎn)

研究人員表示："理想情況下，所有復(fù)雜蜂窩材料中的應(yīng)力都應(yīng)均勻分布,。然而,，對(duì)于大多數(shù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，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,。我們?cè)O(shè)計(jì)了一種空心管狀晶格結(jié)構(gòu)，內(nèi)部有一條細(xì)帶,。這兩種元素一起展現(xiàn)了自然界中從未見(jiàn)過(guò)的力量和輕盈,。通過(guò)有效地合并兩個(gè)互補(bǔ)的晶格結(jié)構(gòu)來(lái)均勻分布應(yīng)力，我們避免了應(yīng)力通常集中的弱點(diǎn),�,！�

△RMIT增材制造中心的Martin Leary教授、Ma Qian教授,、Jordan Noronha和Milan Brandt教授

研究人員在皇家墨爾本理工大學(xué)的先進(jìn)制造區(qū),，使用激光粉末床熔融技術(shù)3D打印了這一設(shè)計(jì)。測(cè)試結(jié)果表明,，打印設(shè)計(jì)（鈦晶格立方體）的強(qiáng)度比鑄造鎂合金WE54高出50%,，而WE54是航空航天應(yīng)用中類(lèi)似密度的最堅(jiān)固合金。新結(jié)構(gòu)有效地將集中在晶格薄弱點(diǎn)上的應(yīng)力減少了一半,。雙晶格設(shè)計(jì)還意味著任何裂紋都會(huì)沿著結(jié)構(gòu)發(fā)生偏轉(zhuǎn),，從而進(jìn)一步提高了韌性。

△博士生拿著以立方體形式3D打印的新型鈦晶格結(jié)構(gòu)樣品

該研究的主要作者,、皇家墨爾本理工大學(xué)博士候選人Jordan Noronha表示,，他們可以利用不同類(lèi)型的打印機(jī)，制作出幾毫米或幾米大小的這種結(jié)構(gòu),。這種可打印性,，以及強(qiáng)度、生物相容性,、耐腐蝕性和耐熱性,，使其成為從骨植入物等醫(yī)療設(shè)備到飛機(jī)或火箭部件等多種應(yīng)用的理想候選材料,。

Noronha說(shuō)：“與目前商業(yè)應(yīng)用中使用的強(qiáng)度最高、要求高強(qiáng)度和輕質(zhì)的鑄造鎂合金相比,，我們的鈦超材料密度相當(dāng),，強(qiáng)度更高，而且在受到壓縮載荷時(shí)不容易發(fā)生永久性形狀變化,。因此,，它的制造過(guò)程更加可行，更容易實(shí)現(xiàn),�,！�

△這項(xiàng)研究可能涉及了材料科學(xué)、工程學(xué)和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)等多個(gè)領(lǐng)域,，旨在探索新型材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和性能特征,，為材料設(shè)計(jì)和制造提供新的思路和方法

皇家墨爾本理工的下一步計(jì)劃

皇家墨爾本理工大學(xué)先進(jìn)制造區(qū)技術(shù)總監(jiān)、特聘教授Milan Brandt表示,，該團(tuán)隊(duì)歡迎希望可以獲得更多企業(yè)的幫助和合作,。他說(shuō)："我們的方法是通過(guò)合作設(shè)計(jì)、知識(shí)交流,、基于工作的學(xué)習(xí),、關(guān)鍵問(wèn)題解決和研究成果轉(zhuǎn)化來(lái)發(fā)現(xiàn)挑戰(zhàn)和創(chuàng)造機(jī)遇�,！�

該團(tuán)隊(duì)計(jì)劃進(jìn)一步改進(jìn)這種材料,，以實(shí)現(xiàn)最高效率，并探索在更高溫度環(huán)境中的應(yīng)用,。雖然這種材料目前可耐高溫至350°C,，但他們相信，利用更耐熱的鈦合金,，這種材料可耐高溫至600°C,，應(yīng)用于航空航天或消防無(wú)人機(jī)。由于制造這種新材料的技術(shù)尚未普及,，工業(yè)界采用這種材料可能還需要一些時(shí)間,。

Noronha表示：“傳統(tǒng)的制造工藝對(duì)于制造這些復(fù)雜的金屬超材料并不實(shí)用，而且并不是每個(gè)人的倉(cāng)庫(kù)里都有激光粉末床熔融機(jī),。不過(guò),，隨著技術(shù)的發(fā)展，它將變得更容易獲得,，打印過(guò)程也將變得更快,，使更多人能夠在他們的組件中使用我們的高強(qiáng)度多拓?fù)涑�材料。重要的��,，金�?D打印技術(shù)可以方便地制造出實(shí)際應(yīng)用中的凈形,�,！�