《Advanced Materials》墨爾本理工大學3D打印鈦基超材料

來源：江蘇激光產(chǎn)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(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(zhì)鈦基超材料已經(jīng)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(zhì)、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(nèi)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(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(zhì)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(chǎn)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(diào)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?qū)�彈，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也將受益于超材料的輕質(zhì)、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。