3D打印超强钛/铝超材料！马前教授团队提高晶格结构创新形式！

2024年11月25日

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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。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的新研究方向。粉末床激光熔融 (LPBF) 增材制造技术的出现让制造挑战逐渐消除，大大简化并能制造更为复杂的拓扑结构。

在此方面，墨尔本理工大学马前教授团队的研究备受关注，已发表的多篇研究涵盖多种材料（钛合金、铝合金及不锈钢）和多种晶格结构（实体晶格、空心支柱晶格、薄板空心支柱晶格拓扑结构、节点增强空心支柱晶格及不同取向等其他类型的结构）。尤其是于近两年发表的3D打印钛合金超材料与铝合金超材料的研究使人们对点阵/晶格材料的创新形式有了新的认识。

晶格/点阵结构创新

马前教授团队对晶格结构的重要研究方向是关于空心支柱晶格，这是一类新兴的晶格材料，与以往晶格结构不同之处在于其支柱和节点皆为空心，共同形成相互连接的通道网络。在相似的相对密度下，空心支柱金属晶格比实心支柱晶格具有更高的结构效率。

但虽如此，此类晶格的空心节点却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。针对此问题，研究人员探索了多种结构加强方式。

节点加强形式

协同薄板拓扑两级相干架构

通常认为增加节点处的壁厚可以用作节点加固策略，但研究人员认为引入专门设计的亚毫米节点加固方法可能能够从根本上提高强度和刚度，但同时需要考虑避免粉末堵塞空心支柱。研究发现，引入节点加固可以有效减轻节点区域的应力分布，但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。另一种加强方式，是创建协同薄板+空心支柱晶格拓扑的两级相干架构，提供高机械强度的同时保持开孔结构。这种加强方式，又可衍生出多种具体的加强形势。

但总的来说，马前教授团队目前所开发的增强型空心支柱晶格的空心支柱晶格的相对屈服强度普遍位于经验模型上限之上，超过同类型的实体支柱晶格，且具有更低的材料密度。

3D打印钛合金超材料

于2023年12月31日发表的钛合金超材料获得了广泛关注，这种复杂的空心支柱晶格Ti6Al4V超材料，密度不超过1.8g/cm³，与镁合金相当，但屈服强度却远超镁合金。

LPBF工艺制造的Ti-6Al-4V试样

具体的说，研究人员将亚毫米厚的Ti-6Al-4V片层组成的简单立方单元嵌入到简单立方空心支柱晶格的中空空间中，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。

研究团队3D打印的tc4空心支柱晶格

这一研究之所以备受关注，是因为所开发的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。由于其密度低和高屈服强度，再加上Ti-6Al-4V固有的良好耐热性（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。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）。

3D打印铝合金超材料

在获得以上成功的基础上，研究人员指出，所开发的钛合金超材料可能并非一直都是最佳的选择，因为钛合金粉末仍然很昂贵。该团队因此将目光锁定了另一种高性能材料——铝合金。

铝合金的激光粉末床熔融 (LPBF) 比Ti-6Al-4V等常见金属合金更具挑战性。首先，铝合金被观察到从高熔池温度到室温事存在大体积收缩；其次，高反射率和导热率需要更高的激光能量；此外，铝合金还具有低液相线温度（557°C），导致产生动态熔池。这些因素意味着AlSi10Mg很可能存在几何缺陷和粉末堵塞中空通道。

为了实现完整打印且不会残留粉末，研究人员确定了铝合金晶格结构的最小壁厚、最小内径、加强方式以及扫描策略。最终使用简单高效的双边界扫描策略，制造了具有高保真内部和外部轮廓以及可忽略不计的容留获粉末的复杂AlSi10Mg空心支柱晶格结构。该结构达到了仿真模型相对屈服强度的经验上限，与实体支柱晶格结构相当。而具有相当相对密度的Ti-6Al-4V、AlSi10Mg和SS316L的固体支柱晶格通常低于该上限。此外，空心支柱晶格在绝对密度低得多的情况下，绝对屈服强度、弹性模量均与实体支柱晶格相当，从而开发出了基于AlSi10Mg空心支柱晶格的具有轻质和高效结构的超材料。

研究团队3D打印的AlSi10Mg空心支柱晶格