近日，3D打印技术参考注意到，墨尔本理工大学马前教授团队采用3D打印技术开发了钛合金晶格拓扑超材料，由此制造的结构具有镁合金同等密度（1.85g/cm³），但屈服强度大大提高。研究人员于2023年12月31日，在Advanced Materials在线发表了题为“Titanium Multi-Topology Metamaterials with Exceptional Strength”的文章。需要指出的是，马前教授领导的团队于2023年还发表了Nature重磅研究(点击)。
DOI:10.1002/adma.202308715
机械金属超材料由互连的支柱、板、片或壳组成，其空腔或孔径范围为亚毫米到毫米级，通常以重复单元排列。它们是一类新兴的多功能材料，具有固体材料或传统多孔材料无法实现的多功能性。然而，很少有金属晶格超材料能够实现明显优于镁的机械性能，例如密度相似（≤1.8g/cm³），但屈服强度能超过200MPa。这使得这些新型轻质材料无法用于更广泛的应用，如需要显著承载和耐热或耐腐蚀特性的应用。
具有亚毫米至毫米通道直径的空心支柱晶格（HSL）金属超材料是机械超材料家族的新研究方向。粉末床熔融 (PBF) 增材制造技术的出现让制造挑战逐渐消除，其可以大大简化并能制造更为复杂化的拓扑结构。其中一个例子是通过LPBF技术3D打印具有复杂空心支柱晶格的Ti6Al4V超材料。此类结构表现出出色的结构效率，其机械性能超过了同等密度的固体支柱晶格（SSL）材料，使其成为高效的基于支柱的晶格拓扑。
3D打印的常规晶格结构与空心支柱晶格
但其仍然存在严重的结构缺陷，这些缺陷源于复杂的空心节点区域应力集中。这些应力集中会导致局部椭圆化和裂纹，造成晶格结构过早失效。引入节点加固可以有效减轻节点区域的应力分布，但研究发现这种策略仍然会导致负载未对齐的空心支柱中出现显著的接近零应力区域。
传统的固体支柱晶格（SSL）比相同密度的空心支柱晶格（HSL）弱，它不适合用于基于HSL的多拓扑设计以进行强化。最近的研究发现，薄板型格子结构（TPL）可以有效分布应力。为了在不妨碍其多功能拓扑的情况下提高空心支柱晶格（HSL）的机械包络，研究人员建议将TPL拓扑集成到HSL拓扑的内部中空空间中，创建协同薄板空心支柱晶格 (TP-HSL) 拓扑，以利用每个格子的结构优点。该策略与以前的多拓扑晶格设计不同，它是在晶格设计空间中随机或确定的放置各种晶胞单元。它创建了一个两级相干架构，提供高机械强度，同时是开孔的，以保留HSL拓扑的多功能，例如用于流体控制或混合、增强的仿生学和热导率控制。
研究人员提出的多种拓扑集成策略
研究人员提出多种拓扑集成策略，其中由亚毫米厚的Ti-6Al-4V片层组成的简单立方TPL单元嵌入到简单立方Ti-6Al-4V空心支柱晶格HSL的中空空间中，形成单一Ti-6Al-4V薄板集成空心支柱晶格（TP-HSL）。通过选择一致的晶胞设计（例如简单的立方晶格单元），可以轻松实现协同拓扑，因为支柱和板遵循一致的方向，无需晶胞操作。此外，这种TP-HSL拓扑结构旨在将所有负载未对齐的水平支柱牢固的互连到负载对齐的板，从而确保有效的应力分布，进而实现高结构效率。
HSL（左栏）和 TP-HSL（右栏）连续体模型进行各向同性线弹性分析
Ti-6Al-4V之所以被选为TP-HSL材料，是因为它具有中等密度、高强度、优异的耐腐蚀性以及在各种腐蚀性介质（海水、氧化酸、氯化物、火箭推进剂）中具有成本效益，同时它可以被用来使用LPBF工艺打印，还具有丰富的数据库，适合各种应用条件。这些特性使其成为许多关键应用的首选材料，也是金属增材制造领域研究最广泛的合金。
LPBF工艺制造的Ti-6Al-4V TP-HSL试样
不同密度Ti-6Al-4V TP-HSL和HSL试样对单轴压缩的机械响应及其失效模式
与现有金属晶格的性能比较
最终，由Ti-6Al-4V 3D打印的集成空心支柱晶格超材料的密度分布在1.0–1.8g /cm³之间，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空心支柱晶格（HSL）和固体支柱晶格 (SSL)超材料。此外，它们的绝对屈服强度大大超过具有相当密度的镁合金，同时继承了Ti-6Al-4V的高耐腐蚀性、生物相容性、耐热性和其他独特属性。总的来说，钛多孔晶格拓扑超材料拓展了轻质多功能金属材料的边界。
本研究中设计的Ti-6Al-4V TP-HSL材料由于其密度低和高屈服强度（>250 MPa），再加上Ti-6Al-4V的固有特性，如良好耐热性（高达350 °C）、显著的耐腐蚀性和生物相容性，它们可以用作高超音速飞行器等要求严格的热防护系统的核心结构。特别是，当用高温钛合金Ti-SF61打印时，它们可以进一步在高达600°C的温度下使用。这些重要的特性也使它们成为钛无人机的潜在选择材料，用于近距离和延长飞行时间监测或扑灭丛林大火或严重工业火灾。其他应用包括用作植入材料以及在国防和航空航天领域替代镁合金部件的轻质结构（更轻、更强、更耐热、更耐腐蚀）。然而，对于需要高效流体流动的应用，这些TP-HSL设计可能不是最佳解决方案，因为它们会损害流体流动性。从设计角度来看，当前TP-HSL架构的结构效率可以进一步提高。
