《Advanced Materials》墨尔本理工大学3D打印钛基超材料

来源：江苏激光产业技术创新战略联盟

澳大利亚皇家墨尔本理工大学研究团队报道了3D打印超强度钛基超材料，或可用于航空航天、医疗设备生产的研究，可能会给制造业和高速航空带来革命性的变化，促进更强大的医疗设备和创新的飞行器和航天器设计。该研究以“Titanium Multi-Topology Metamaterials with Exceptional Strength”为题发表在《Advanced Materials》上。

一种具有高强度和多功能性的突破性的轻质钛基超材料已经被设计出来。研究小组使用一种常见的钛合金Ti-6Al-4V来制造钛多拓扑“超材料”。
增材制造的超材料是一种结构化的蜂窝材料，可通过结构创新实现非同寻常的机械和多功能特性。其中，空心支柱晶格（HSL）超材料已被证明具有出色的结构效率，其多功能结构是轻质、生物医学、微流体和热工程的理想选择。
为了充分利用其结构效率并显著扩展其机械外壳，薄板晶格拓扑结构被无缝集成到 HSL 拓扑结构的内部空心空间中。这种集成具有双重目的：从根本上增强不规则HSL节点的抗变形能力，并在新拓扑结构中均匀分布外应力，从而获得超高强度。
这种薄板集成空心支柱晶格（TP-HSL）超材料采用密度为1.0-1.8 g cm-3的钛合金Ti-6Al-4V制成，其相对屈服强度远远超过了所有蜂窝金属的经验上限，包括由各种金属合金制成的HSL和实心支柱晶格（SSL）超材料。此外，它们的绝对屈服强度大大超过密度相当的镁合金，同时还保有Ti-6Al-4V的高耐腐蚀性、生物相容性、耐热性和其他独特属性。钛多拓扑超材料拓展了轻质多功能金属材料的领域。

图1：计算机辅助设计（CAD）模型及实际打印的钛合金超材料样品。

打印超材料
研究团队首先将整个晶格超材料样品设计成数字模型。然后，使用软件工具将该模型数字化地切成许多薄层。这种基于层的制造过程包括激光熔化金属粉末、液态金属（熔化的金属粉末）的快速凝固以及凝固金属的反复加热和冷却过程。目前整个过程大约需要18个小时，但通过优化，研究团队计划在未来缩短时间。

图2：Ti-6Al-4V HSL节点（a,c,e）和 TP-HSL 节点（b,d,f）在密度(ρ*)为 1.0 g cm-3、1.5 g cm-3 和 1.8 g cm-3 时的各向同性线性弹性有限元分析。Kt 是应力集中系数，A 是受压横截面积，F 是外加压缩力。

是什么让这种材料如此坚固？
空心支柱和薄板是超材料具有高强度的两种拓扑结构。大多数蜂窝材料都存在应力集中的薄弱点，而这两种互补晶格则不同，它们在提供支撑的同时均匀分布应力。理想情况下，所有蜂窝材料中的应力都应均匀分布。然而，对于大多数拓扑结构来说，通常只有不到一半的材料主要承受压缩载荷，而较大体积的材料在结构上并不重要。

这种多拓扑设计还能促进裂纹路径的偏转，从而提高韧性。在研究的薄板空心支柱晶格拓扑结构中，支柱和板材共同作用，使裂纹沿着更长的路径偏转，而不是像大多数蜂窝材料那样直接穿过晶格产生裂纹。
镁合金目前用于要求高强度和轻量化的商业应用中。与现有强度最高的铸造镁合金（WE54）相比，密度相当的钛基超材料样品强度要高得多。此外，由于粉末气化，镁合金也不适合激光粉末床熔融或3D打印，因此钛合金在制造方面具有优势。

图 3：密度为 (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 试样的外部照片（光学图像）和内部 μCT 图像。可以观察到 CAD 模型和制造出来的试样之间具有很高的一致性。

图 4：Ti-6Al-4V HSL和 TP-HSL试样对单轴压缩的力学响应。

图5:相对屈服强度(a)和相对弹性模量(b)与相对密度的Gibson-Ashby模型对数图。

下一步计划和潜在应用
在这种材料实现商业化之前，研究团队首先要确保这种材料发挥最大效能。为此，他们计划改进目前的设计，进一步强化和减轻钛基超材料。例如，根据数值模拟，将调整薄板与空心支柱的比例，使整个结构的应力分布更加均匀。

据研究人员称，如果超材料是用高温钛合金制造的，那么它可以在高达 600°C的温度下使用。这一特性以及耐腐蚀性使这种材料适用于高速飞行的飞机或导弹，能够承受高速飞行产生的高热量。用于密切监视或扑灭野火的钛无人机也将受益于超材料的轻质、强度和耐热性。由于超材料还具有生物相容性，因此还可用于骨植入等医疗设备。