RMIT研究团队开发新型超强钛结构，比传统合金强度提升50%

2024年4月22日，南极熊获悉，墨尔本皇家理工大学（RMIT）的研究人员成功利用3D打印技术制造出超强的钛结构。他们开发了一种新的方法，通过将钛粉末与石墨烯混合，并使用激光进行熔化，制造出了具有出色强度和耐久性的钛合金，比目前航空航天应用中使用的类似密度的次强合金强50%。

△该研究成果已发表于《先进材料》，题目为“具有超常强度的钛多拓扑超材料”（传送门）

先进制造业更理想的结构设计思路

该材料的晶格结构最初灵感源自大自然，如维多利亚睡莲或耐寒的风琴管珊瑚等强健的空心茎植物，它们展示了轻质与强度相结合的方法。然而，尽管人们几十年来一直试图在金属中复制这些中空的“细胞结构”，但由于制造性和负载应力集中在中空支柱内部等常见问题，导致未能如愿。

通过将金属3D打印设计推向极限，研究团队优化了一种新型晶格结构，使应力分布更加均匀，从而提高了其强度或结构效率。

△压缩测试显示（左）空心支柱晶格上的红色和黄色应力集中，而（右）双晶格结构更均匀地分散应力以避免热点

研究人员表示："理想情况下，所有复杂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。我们设计了一种空心管状晶格结构，内部有一条细带。这两种元素一起展现了自然界中从未见过的力量和轻盈。通过有效地合并两个互补的晶格结构来均匀分布应力，我们避免了应力通常集中的弱点。”

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

研究人员在皇家墨尔本理工大学的先进制造区，使用激光粉末床熔融技术3D打印了这一设计。测试结果表明，打印设计（钛晶格立方体）的强度比铸造镁合金WE54高出50%，而WE54是航空航天应用中类似密度的最坚固合金。新结构有效地将集中在晶格薄弱点上的应力减少了一半。双晶格设计还意味着任何裂纹都会沿着结构发生偏转，从而进一步提高了韧性。

△博士生拿着以立方体形式3D打印的新型钛晶格结构样品

该研究的主要作者、皇家墨尔本理工大学博士候选人Jordan Noronha表示，他们可以利用不同类型的打印机，制作出几毫米或几米大小的这种结构。这种可打印性，以及强度、生物相容性、耐腐蚀性和耐热性，使其成为从骨植入物等医疗设备到飞机或火箭部件等多种应用的理想候选材料。

Noronha说：“与目前商业应用中使用的强度最高、要求高强度和轻质的铸造镁合金相比，我们的钛超材料密度相当，强度更高，而且在受到压缩载荷时不容易发生永久性形状变化。因此，它的制造过程更加可行，更容易实现。”

△这项研究可能涉及了材料科学、工程学和计算机辅助设计等多个领域，旨在探索新型材料结构的设计和性能特征，为材料设计和制造提供新的思路和方法

皇家墨尔本理工的下一步计划

皇家墨尔本理工大学先进制造区技术总监、特聘教授Milan Brandt表示，该团队欢迎希望可以获得更多企业的帮助和合作。他说："我们的方法是通过合作设计、知识交流、基于工作的学习、关键问题解决和研究成果转化来发现挑战和创造机遇。”

该团队计划进一步改进这种材料，以实现最高效率，并探索在更高温度环境中的应用。虽然这种材料目前可耐高温至350°C，但他们相信，利用更耐热的钛合金，这种材料可耐高温至600°C，应用于航空航天或消防无人机。由于制造这种新材料的技术尚未普及，工业界采用这种材料可能还需要一些时间。

Noronha表示：“传统的制造工艺对于制造这些复杂的金属超材料并不实用，而且并不是每个人的仓库里都有激光粉末床熔融机。不过，随着技术的发展，它将变得更容易获得，打印过程也将变得更快，使更多人能够在他们的组件中使用我们的高强度多拓扑超材料。重要的是，金属3D打印技术可以方便地制造出实际应用中的净形。”