2023年12月，由华中科技大学牵头承担的国家重点研发项目—“高强韧钛合金增材制造技术与装备”正式获得批准立项。 本项目面向航空航天领域先进飞行器对高强度高损伤容限性能的长寿命钛合金关键承力构件的迫切需求，建立激光增材制造高强韧钛合金材料设计、激光熔化沉积微区调控、多重固态相变联动调控方法与技术，突破多束激光大型复杂钛合金构件制造过程内部缺陷抑制和应力控制等关键技术，形成大型钛合金构件抗疲劳与高损伤容限结构设计和制造方法，研制成套激光增材制造装备，实现航空航天等领域尺寸≥1m×1m×5m的大型复杂高强韧钛合金构件的高效高质量制造成形，并通过验证考核，解决航空航天高端装备大型关键钛合金构件应用和安全设计的瓶颈难题，服务于航空航天领域先进型号研制生产。项目研究成果可从航空航天领域推广到船舶、核电等重点领域中，带动高端装备制造等相关产业发展，将显著提升我国大型构件激光增材制造水平，预期未来3-5年将产生直接经济效益超过10亿元。 本项目由华中科技大学牵头，哈尔滨工业大学、上海交通大学、中国航发北京航空材料研究院、中国航空制造技术研究院、中国航空工业集团公司西安飞机设计研究所、中国飞机强度研究所、中航西安飞机工业集团股份有限公司、南京英尼格玛工业自动化技术有限公司、西安鑫泰航智能制造有限公司参与，共10家单位共同组建集“优化设计、基础研究、装备研制、应用验证”于一体的研究团队。 本项目面向航空航天领域先进飞行器对高强韧钛合金大型复杂构件轻量化及高效高精度制造的迫切应用需求，围绕多束激光（简称多激光）耦合增材制造非平衡凝固热质传输与应力分布规律等关键科学问题，开展多激光增材制造技术与装备研究，突破复杂构件多激光耦合高效高精度增材制造工艺开发等关键技术，研制多激光增材制造装备，制备航空发动机吊挂和航天结构件等大型构件，实现高强韧钛合金复杂构件的增材制造及考核验证，形成相应的技术规范标准，为提升我国该类构件增材制造水平提供技术支撑。 项目立足材料优化设计、大型多激光增材制造工艺及装备开发、航空航天考核验证等，设置5个课题，相互关联，相互支撑。 其中，英尼格玛参与了高强韧钛合金多激光增材制造材料-工艺-组织-性能关系研究和钛合金构件多激光增材制造过程内部缺陷抑制和应力控制技术研究，通过激光增材制造高强韧钛合金成分优化设计、工艺优化等调控技术进行综合性能控制及工艺验证，构建材料、工艺标准体系，并通过增材制造过程缺陷的实时监测与离线对比，开发针对缺陷识别的高阶算法与高精度检测反馈系统，实现缺陷的主动控制。 注：本文内容来自英尼格玛。欢迎转发 主编微信：2396747576（请注明身份）;硕博千人交流Q群：248112776；网址： 延伸阅读： 1.交付超百台电弧3D打印设备！英尼格玛发布2023成绩单 2.电弧3D打印太粗糙？国内团队工艺优化重大突破！ 3.电弧增材制造爆发式增长！国内创新开发出原位增减材复合技术装备，助力大尺寸制造 4.重大成果：北理工“超大规格金属点阵结构多弧并行3D打印技术与装备”

3D打印技术的重要作用之一，是制造那些能够提高传统工业设备工作效率的相关部件。近年来，关于具有非常规特性的超材料的研究越发广泛，可以从微观尺度到宏观尺度通过灵活设计来改变物理性质，对工业领域显示出强大的吸引力。得益于增材制造技术的发展，高度复杂的微晶格超材料的制造得以实现。 微晶格超材料的几何基础源自对原子晶格的研究，这些原子晶格由具有连接支柱和定制孔的互连单元周期性排列。在微晶格超材料中，支柱决定机械强度，而孔径分布影响流体/气体传输。因此，它们广泛应用于需要稳定和高通量运输调节的机械工程和生物/化学/环境领域。微晶格超材料已应用于人体植入物的设计，以模拟人体骨骼的刚度和物质结构，同时支持人体运动、营养运输和新陈代谢。此外，微晶格合理的孔隙分布设计可以调节热传输，使其可以用作高效的隔热装置。微晶格超材料的多物理特性（如机械和传输特性）的可控性允许功能集成、灵活的设计和特性可调性。因此，其可用于抵抗复杂负载环境，也可用于高流量水净化系统。 然而，传统周期性微晶格的几何特征是高度耦合和相互约束的，这限制了其物理性质的可调性。高机械强度通常对应于较少的孔隙分布，因此限制了传输，从而抑制了可能的设计和可调范围。如今，仿生学允许微晶格超材料通过模仿自然形状、性能和功能来实现卓越的物理特性。例如，将竹子状空心支柱元素引入微晶格可以大大提高比刚度和比强度，以接近设计极限；设计多孔莲藕状微晶格可以提供优异的骨再生和修复能力，满足种植体的强度和运输要求。 3D打印技术参考注意到，华中科技大学史玉升教授团队和香港城市大学吕坚院士等团队联合，提出了一种受花旗松启发的创新超材料设计。花旗松可以长到100 m高，但直径仅约1.5 m，这种超高但并不粗壮的树需要相当大的强度来抵御强风，以及具有允许水分和养分从根部到达最顶端的养料传输机制。微观结构分析表明，支持树木强劲生长的关键因素在于源自导管和纤维的交错/双峰孔隙分布模式。棋盘孔有利于利用有限的体积空间进行物质传输，而交错模式类似于三明治结构以提高强度，从而解耦机械传输性能，并实现机械传输性能的协同改进和优异组合，这在很大程度上不同于传统周期性微晶格中的规则均匀孔隙。 受花旗松树双峰孔径分布的启发，研究团队采用体心立方（BCC）微晶格重叠策略构建双峰孔隙。重叠微晶格结构的特点是大小孔隙区域交错分布。通过叠加微晶格并改变内部孔隙区域的空间形状，这种受木材启发的重叠设计策略可以大大增加超材料设计的自由度以及机械和传输性能的可调性。研究团队基于此采用SLM工艺3D打印制造了316L不锈钢微晶格超材料，来满足污水处理系统对支撑框架的尺寸、精度、强度、传输和催化剂粘附能力的综合要求。相关研究成果，以“Wood-inspired metamaterial catalyst for robust and high-throughput water purification”发表在顶尖期刊《Nature Communications》上。 https://www.nature.com/articles/s41467-024-46337-1  3D打印过程结束后，研究人员通过电化学沉积工艺在316L不锈钢表面沉积一层钴（Co），从而获得高效的污水处理系统。该系统集成了高效的Co/SS催化剂和受木材启发的结构优势，从而具有优化的稳定性和高流通量。通过进一步的优化，研究人员实现了突破性的结构-功能一体化——“超材料催化剂”，其具有新兴超材料概念突破所带来的物理-化学特性。 Co/SS基超材料催化剂在机械-传输-催化性能可调性方面具有卓越的性能和更大的自由度。超材料催化赋予了材料在水净化应用中的机械和传输性能的结构-功能集成，以及高效协同催化性能。为了全面展示木质结构超材料催化剂的高强度和良好的水净化传输能力，研究人员构建了一系列具有不同支柱直径（0.30、0.35和0.40 mm）和重叠率（0、30、50和70%）的316L不锈钢微晶格结构。重叠设计策略旨在增加因节点数量增加和支柱内部约束而产生的相对密度，这可以显著提高结构刚度，有效承受流动冲击。同时，木质双峰孔旨在延缓废水的流速，从而增加物质输送过程中的液固接触时间，实现高效催化净化。基于木材结构启发的重叠设计增加了单位体积的表面积，从而增加了流动摩擦。 受木材启发的超材料催化剂  金属3D打印传统微晶格和木质超材料的形态结构和机械性能  仿木超材料催化剂的水净化能力和催化机理 受木材启发的超材料催化剂的稳健性、可设计性和适用性 实验结果证明了仿木超材料催化剂的实用性，受木材启发的超材料催化剂的刚度、传输性能和催化能力是可调的，这表明通过超材料结构设计和3D打印可以轻松实现净水系统的结构功能集成制造。微晶格或多孔结构具有很强的结构可设计性和可打印性，同时在3D打印组件制造中金属基材料也表现出显著的抵抗机械破坏的特性。与微晶格/多孔结构和合成催化剂相比，金属3D打印和电化学沉积相结合的工艺，通过简单的制备而成，集结构强度和功能催化双重功能于一体，具有较强的可制造性、较高的宏观和微观结构可设计性、较强的几何和性能可控性，更高强度和高通量的净水能力。 总的来说，史玉升教授和吕坚院士团队不仅开发出了一款超材料催化剂，更提出了一种新的制造手段。 注：本文内容由3D打印技术参考整理编辑，转载请点击转载须知。 欢迎转发 主编微信：2396747576（请注明身份）; 硕博千人交流Q群：248112776；网址： 延伸阅读： 1.史玉升教授团队：高能量吸收梯度仿生超材料的设计和3D打印 2.吕坚院士团队：4D增减材复合制造高精度、高度复杂结构陶瓷 3.NASA研究团队发现金属3D打印孔隙特征大有利用价值并发布可控工艺研究成果 4.3D打印功能晶格结构对力学性能和失效性能的影响

陶瓷材料具有优异的机械性能以及耐高温和耐腐蚀性能，因此被广泛应用于航空航天、电气、组织工程以及许多其他领域。由于固有的脆性和高硬度，陶瓷零件的加工一直是困难的。4D打印在高效制造复杂结构陶瓷零部件方面具有巨大潜力 4D打印陶瓷结构，来自佛山（华南）新材料研究院等4D printing of ceramic structures 迄今为止，实现陶瓷4D打印主要有两种策略。一种方法是利用烧结过程中的各向异性收缩来产生打印陶瓷部件的形状变化。在这种方法中，采用连续3D打印不同固体含量的陶瓷树脂，在烧结过程中产生各向异性收缩和随之而来的形状变化。借助外力或模具重塑3D打印生坯并结合随后的烧结过程是陶瓷4D打印的另一种有效方法。弹性体衍生陶瓷的4D打印已通过直接墨水写入 (DIW) 和随后的编程步骤实现。可编程自成型可以通过在预拉伸弹性体基底上打印ZrO2纳米粒子增强聚二甲基硅氧烷的设计图案以及随后释放预拉伸来实现，除此之外还可以通过光固化丙烯酸酯陶瓷油墨3D打印制造柔性陶瓷生坯。打印后形状重构可以通过自组装辅助成型和模具辅助成型方法进行。这些重塑的生坯在烧结后可以转化为陶瓷。 与通过挤出粘性墨水形成3D结构的DIW 3D打印技术不同，数字光处理（DLP）3D打印通过将紫外线（UV）图案投射到树脂表面，引发局部光聚合组合，将液体光固化树脂变成固体3D物体。DLP 3D打印可以创建更复杂和精细的3D结构，特征尺寸小至亚微米级。然而，基于DLP的陶瓷4D打印尚未实现。 3D打印技术参考注意到，南方科技大学葛锜教授与西安交通大学原超副教授研究团队提出了一种简单高效的陶瓷4D打印制造方法和设计策略。相关成果于2024年1月26日以“Direct 4D printing of ceramics driven by hydrogel dehydration”为题，发表在Nature Communications  https://www.nature.com/articles/s41467-024-45039-y 在这项工作中，研究人员报告了一种可行且高效的制造和设计方法来实现陶瓷的直接4D打印。其开发了用于DLP 3D打印的高光固化陶瓷弹性体浆料和低粘度丙烯酸水凝胶前体。陶瓷弹性体生坯具有高度可拉伸性，能够承受高达700%的拉伸应变。水凝胶作为驱动材料，脱水引起的体积收缩达65%，模量增加40倍。多材料DLP 3D打印技术用于创建图案化的水凝胶陶瓷层压板，其中水凝胶和陶瓷弹性体层形成牢固的界面结合。平面图案层压板在水凝胶脱水的驱动下演变成复杂的3D结构。 多材料3D打印水凝胶陶瓷层压板 陶瓷直接4D打印的设计流程 经过高温脱脂和烧结后，演化出的3D结构变成纯陶瓷结构。为了指导水凝胶-陶瓷层压板的设计，首先开发了一个理论模型来精确捕获脱水引起的水凝胶体积收缩和模量增加，然后将该模型应用到欧拉-伯努利梁理论中以生成设计图建立层压板的弯曲曲率和结构参数之间的关系。实验比较表明，烧结导致弯曲层合板的曲率回缩。通过实验研究和有限元模拟，研究人员将曲率收缩归因于烧结过程中层压板厚度方向的不均匀收缩。通过考虑曲率回缩进一步修改设计图，最后将修改后的设计图与有限元模拟相结合，构建逆向设计流程，以确定使打印的平面图案演变为目标3D陶瓷形状的结构参数。与模具辅助重塑和手动折叠相比，水凝胶脱水驱动的直接4D打印可以更简单、更高效地制造复杂的3D陶瓷物体。 陶瓷直接4D打印的代表性演示 所提出的陶瓷直接4D打印方法可应用于各种陶瓷材料。这种方法在生产复杂3D物体时的高效率和极大的灵活性将突破目前陶瓷结构设计的限制，为陶瓷材料在更广泛的工程领域的应用开辟新途径。研究人员3D打印了起重机、三叶风扇和蝎子，展示了创建复杂3D结构的能力。通过多材料DLP 3D打印技术将水凝胶陶瓷层压板部署在平面图案的不同位置，可以精确地实现弯曲、扭曲、折叠和折纸等局部变形，进而实现各种复杂的形状配置。 注：本文内容由3D打印技术参考整理编辑，转载请点击转载须知。 欢迎转发 主编微信：2396747576（请注明身份）; 硕博千人交流Q群：248112776；网址： 延伸阅读： 1.3D打印功能晶格结构对力学性能和失效性能的影响 2.重大成果：北理工“超大规格金属点阵结构多弧并行3D打印技术与装备” 3.大尺寸、高精度、高质量：突破碳化硅陶瓷3D打印的制造极限 4.2024年首篇Nature增材研究，钛合金3D打印重大突破！

晶格结构独特的机械和物理特性使其在工程界和生物学领域获得极大关注，3D打印技术是当前一体化、复杂晶格结构制造的重要且快捷的手段。随着研究的深入，对晶格结构的认识正在从均一晶格结构向混合和功能梯度结构方向发展，它的实现仍然需要借助于3D打印技术。这种新的结构形式来自于人们对自然界已存结构的理解，如木材、骨骼、海绵和珊瑚等。 这些自然形成的结构促使研究人员开发出具有相同特性的混合结构或功能梯度结构，并可通过改变壁厚、强度、密度和单元尺寸的分布得以实现。功能梯度结构因其在不同区域的不同性能具有重要的应用潜力。 研究人员已经进行了几项研究，通过不同的方法来增强点阵/蜂窝结构的力学性能，如拓扑优化、支柱宽比、不同直径、层厚以及晶胞类型、尺寸和孔隙率的影响。一些研究提出了混合蜂窝材料的设计，包括互穿晶格、合理的设计方法和功能梯度结构，它们表现出更高的力学性能，如更高的模量、韧性、多稳态/负刚度行为和能量吸收能力。 晶格研究的另一个趋势是功能梯度晶格结构的发展。它是一种由不均匀的单元排列或密度分布引起的结构，具有不均匀的性质。为了提高其力学性能，研究人员检查了功能梯度结构的几何形状、方向和纵横比。此外，还研究了制造工艺对表面基和梁基等各种结构的晶格结构、变形行为和压缩响应的影响。 这些讨论揭示了混合结构和功能梯度结构的整合需要有意识的融合不同的晶格模式，目的是提高强度和响应能力。这种协调一致的方法有可能带来更高的性能和使用效果。混合结构和功能梯度结构的战略融合使我们能够为提高能量吸收和耗散效率定制材料响应，同时加强整体结构刚度。从文献中得出的结论是，大多数与混合结构有关的研究侧重于纵向/线性设计，而功能梯度结构的研究主要涉及具有不同梯度参数的单一结构，如单元胞拓扑结构、单元厚度、支柱长度和孔隙度。值得注意的是，文献表明，仅对径向混合结构(包含两个以上结构)进行了少数研究。 来自香港理工大学、法赫德国王石油与矿业大学（沙特）、大阪大学的组成的团队在《国际先进制造技术杂志》发表了题为“Effect of additive manufactured hybrid and functionally graded novel designed cellular lattice structures on mechanical and failure properties”文章，结合基于梁和基于表面的结构的不同单元，设计和评估了新型功能梯度径向杂交结构。该研究引入了一种圆柱形/径向杂交方法，结合了来自束基结构的BCC、FCC和八隅体，以及来自表面结构的金刚石、陀螺体和split-p。 研究人员表示，这是第一篇研究放射杂交功能梯度结构的论文。他们设计并研究了四种不同的模型： 1)均匀密度的基于表面的混合结构 2)均匀密度的基于梁的混合结构 3)功能梯度的基于表面的混合结构 4)基于梁的功能梯度的混合结构。 本研究以聚乳酸为原料，采用熔丝制造(FFF)制造。进行了准静态压缩试验，以评估杂交和功能梯度对压缩模量、极限强度、比能吸收和失效性能的影响。 1a通过采用NTOTI软件设计的带参数的圆柱体和带参数的(A-II)设计的格子结构；1b（b-i）具有不同半径和相同高度的三个圆柱体（b-ii）三个基于表面的晶胞，以及（b-iii）三个以梁为基础的晶胞 设计和印刷的三种基于梁的晶格结构 三种基于表面的功能梯度晶格结构 三种设计和打印的基于梁的功能梯度晶格结构 用晶格结构的图像来测量表面积 压缩试验中不同品系表面基和梁基杂交和功能梯度晶格结构的变形行为 压缩试验后变形的混合和功能分级晶格结构 两种不同晶格结构间加强界面的方法 根据研究，得出以下主要结论: 与混合结构相比，基于表面的功能梯度晶格结构在力学性能上有显著改进。压缩模量分别提高了71.97%、71.86%和5.16%，极限强度分别提高了8.97%、12.15%和36.05%。另外，比能吸收率提高了2.85%，4.76%，19.10%。这些改进可以归因于该晶格结构的独特设计和优化，使其能够经受更高的压缩载荷和应力之前的失败。 基于梁的功能梯度结构展示了不同的机械行为。前两个模型的压缩载荷分别为50.67%和0.59%，第三个模型的压缩载荷分别为34.99%。同样，在第一个模型中，极限强度增加，但在第二个和第三个模型中分别减少。前两个波束模型的比吸收能量增加，而第三个模型的比吸收能量减少12.82%。这些变化可以归因于单元晶格的定位、体积分数和结构内屈曲的发生。 在功能性梯度梁基晶格结构中主要观察到屈曲现象，主要是由于单位单元位置、体积分数和结构几何的变化。单元类型的重新定位导致体积分数的减少，导致支柱的破坏和随后结构的屈曲。 总之，本研究通过对功能梯度放射性杂交晶格结构的设计和优化提供了有价值的见解。研究结果展示了功能梯度结构的优越力学性能，并强调了与梁基结构中屈曲相关的挑战。这些见解可以为未来的研究提供参考，并有助于各种应用的晶格结构的发展，使它们能够在失效之前经受更高的压缩载荷和应力。通过利用独特的混合和功能梯度方法，设计师和工程师能够提高晶格结构的性能和可靠性，能够设计轻量级部件，并扩大其在航空航天、汽车等行业的潜在应用。 欢迎转发 主编微信：2396747576（请注明身份）;硕博千人交流Q群：248112776；网址： 延伸阅读： 1.盘点：2023年值得关注的3D打印新材料、新工艺和新应用突破 2.年后第一大展！AM CHINA增材技术/粉末冶金/先进陶瓷，要对比着看！ 3.GRX-810新超级合金3D打印火箭发动机成功测试 4.史玉升教授团队：高能量吸收梯度仿生超材料的设计和3D打印

金属点阵结构是一种轻质多功能结构，具有高比强度、高比刚度、抗爆吸能、减振降噪等优势，在航空（飞行器主承力结构）、航天（卫星支架）、航海（船舶舱室）和车辆（抗爆底板）等领域有着广阔的应用前景。然而，现阶段传统的制造方法（铸造、锻造、传统减材加工等）对于制备复杂构型的点阵结构较为困难，存在制造周期长、制造成本高、工序复杂、成形构型有限等问题，因此无法在工业领域进行批量生产制造，也制约了金属点阵结构的实际应用。 点阵结构，是突出3D打印技术制造能力的关键结构特征。而长期以来，此类结构被认为优先采用粉末床激光熔融技术制造，且该工艺确实有独特优势。但面临大尺寸点阵结构的制造，粉末床熔融工艺就显示出了它的不足。 3D打印技术参考注意到，在3月6日央视《共赢新局》栏目中，北京理工大学机械与车辆学院“超大规格金属点阵结构多弧并行3D打印技术与装备”科技成果获得报导。北京理工大学指出，这是纪录片中唯一的高校类科技创新成果。 电弧增材制造技术是以电弧为热源，丝材为基材的金属增材制造技术。经过多年发展，电弧增材制造技术已经具有中高程度的沉积效率，与金属粉末相比，丝材成本低、材料利用率较高，且不受成形环境的限制，非常适用于制备大型结构件。3D打印技术参考查询到，北京理工大学徐田秋博士的一篇题为“电弧增材制造金属点阵结构研究进展”论文指出，电弧增材制造制备的点阵结构具有成形构型多样、成形尺寸大、效率高以及制造成本低等特点，因此对于面向工业应用的结构件高效生产制造，电弧增材制造具备较大的优势。 空间杆结构是构成金属三维点阵结构的基本单元，由于不同的点阵胞元杆件会与水平面呈不同的角度，不同角度的杆件在空间中的连接与配合的形式也多种多样，因此探索空间悬空杆件的制造工艺、制造角度极限以及制造效率对于后续点阵结构的制造至关重要。北京理工大学刘长猛教授带领团队突破了悬空结构无支撑3D打印的技术难关，提出了脉冲电弧辅助热丝的悬空结构自由成形新工艺，建立了大型金属点阵结构3D打印新方法；自主研制了多弧（10弧、16弧、40弧）并行3D打印系列装备，实现10米级点阵结构3D打印以及效率量级提升，形成了超大规格金属点阵结构多弧并行3D打印技术体系。 该技术旨在构建3D打印可批量化生产的两类点阵“型材”。一类是轻量化型材，暨轻质多功能点阵夹芯结构，相对传统结构可减重30%以上，兼具减振降噪、抗爆防护等功能，适用于机动装备，在船舶、潜艇、装甲车辆、大翼展飞行器等领域具有广阔应用前景。第二类是低成本型材，暨钢板点阵混凝土结构，内部填充低成本混凝土，是一种新型海洋基建材料，相对现在全钢结构海洋平台，可显著降低用钢量，综合建造成本降低70%以上，兼具经济性、密封性、稳定性和安全性等，适用于非机动型海洋平台，在海洋浮式风电、深远海养殖、千米级海洋浮式平台、深海基地建设、岛礁建设等领域应用前景广阔。 金属点阵结构是材料结构轻量化与性能多样化集成发展的重要组成部分，也是当下以及未来研究的主要热点之一，其广泛应用于航空航天、远洋船舶等工业关键领域。电弧增材制造技术相比于传统的减材加工技术因减少了加工工序可实现空间复杂结构制造，相比于激光增材制造技术可实现无支撑空间结构的低成本制造，在金属点阵结构的制造和发展过程中具有广阔的应用前景和重要作用。 目前，电弧增材制造金属点阵结构虽然已有相关研究，但总体仍处于制造工艺与性能探索阶段，多热源高效制造、多构型制造、大尺寸点阵结构批量制造等研究相对滞后，亟需在制造装备、制造工艺以及相关凝固机理方面展开系统、深入的研究。 （1）现有电弧增材制造装备在制造点阵结构过程中均采用单一热源（电弧），面对高密度的点阵结构制造需求，其制造周期较长、制造效率较低，无法实现批量化、整体化制造，因此电弧增材制造装备未来的发展重点在于多电弧集成并行与相应控制系统的开发，以提高制造效率，深入挖掘其在制造超大规格点阵结构样件（如点阵夹芯板）方面的应用潜力。 （2）成形过程中熔滴飞溅等因素产生的缺陷，严重影响电弧增材制造点阵结构成型质量。目前的三种制造方法虽然在工艺调控方面能够一定程度上减少飞溅产生，但相关的形成机理与调控方法研究仍然不充分，特别是在非稳态电弧作用下飞溅的产生与工艺相关性问题需要进一步探索。 （3）对于大量非传统构型的点阵结构的一体化制造，由于结构复杂，制造相对困难。WAAM 技术需要在现有工艺基础上开发相应的控制系统和设备，以满足未来多样性点阵结构的实际制造需求。 北理工团队结合天津强大的海工装备制造业，于天津滨海新区开展技术中试验证，有望构建海洋浮式平台的“增材建造”新体系，推动海洋领域未来材料、未来能源、未来空间等未来产业发展。 注：本文内容参考北京理工大学机械与车辆学院官微、徐田秋博士“电弧增材制造金属点阵结构研究进展”。欢迎转发 主编微信：2396747576（请注明身份）;硕博千人交流Q群：248112776；网址： 延伸阅读： 1.电弧3D打印太粗糙？国内团队工艺优化重大突破！ 2.国内电弧增材制造技术正在爆发，或在复制SLM技术的成功之路 3.电弧增材制造爆发式增长！国内创新开发出原位增减材复合技术装备，助力大尺寸制造 4.可采集、可分析！国产DED金属3D打印工艺监控迈出一大步！

土木工程、航空航天、交通运输等多个领域对具有高能量吸收能力的轻质复合材料结构的需求不断上升。在结构上设计微观结构是提高其机械性能或开发新功能的有效方法。为了进一步增强能量吸收能力，研究人员更加关注分层或分形仿生结构。 通过3D打印技术制造的仿生复杂分层复合结构表现出优异能量吸收能力。研究发现，利用聚乳酸（PLA）FDM3D打印双级蜂窝结构与普通蜂窝结构相比，最佳蜂窝结构的比能量吸收值增加了45.6%；基于三周期最小表面（TPMS）的轻质晶格结构的3D打印也获得了研究，通过集成陀螺仪和金刚石表面结构的孪晶边界，进一步提高了TPMS结构的负载能力。晶格结构还表现出不寻常的特性，可以指导具有受控刚度的机械超材料的设计。 当使用纤维增强复合材料时，结构的机械性能可以进一步增强，但提高轻质碳纤维增强复合材料结构的能量吸收能力对其进一步工程应用至关重要。同时，仿生结构与传统的工程结构相比，该结构表现出优异的机械性能。许多天然植物和动物都具有基于内部分层结构，使它们具有高抗冲击特性，例如骨、腱、马尾和竹子。模仿这些结构的设计也成为如今研究的重点。 3D打印技术参考注意到，同济大学航空航天与力学学院的研究团队设计了基于弧形、圆形和六边形最基本形状单元的三种仿生分层结构，生成了具有不同结构比例的蛇形、竹形和蜂窝形分形结构。这些结构采用3D打印技术制造，并通过实验和数值模拟评估了能量吸收能力。研究团队以“3D printed bio-inspired self-similar carbon fiber reinforced composite sandwich structures for energy absorption”为题在复合材料领域Top期刊《Composites Science and Technology》发表了论文。 仿生分层分形结构的设计：蜂窝、竹子、蛇状细胞和自相似结构 3D打印的分层分形结构 蜂窝、竹子和蛇状细胞分层自相似结构的仿生分形均质细胞吸能过程的实验与模拟比较 研究团队选择吸能性能最好的自相似结构进行夹层复合材料结构的设计。在自相似复合材料夹层结构的研究中，探索了七单元阵列形式的竹夹芯复合结构的能量吸收能力。复合材料夹层结构由两块CFRP板和夹在它们之间的复合材料芯材组成。该面板采用碳纤维增强环氧树脂预浸料铺层热成型，厚度为1毫米。研究人员构建了以短碳纤维为增强体、以尼龙为基体的复合材料，具有优异的抗压缩变形能力。此类组件材料比其他3D打印预浸料具有更好的工程应用潜力。Onyx复合材料预浸线的密度为1.2g/cm3，压制模量为768 MPa，泊松比为0.3，屈服强度为21MPa ，每层打印厚度设定为0.1毫米。CFRP面板使用环氧树脂粘合到芯材的两侧。共制造了三种结构，然后在300°C的烘箱中加热6小时，因此这种复合夹层结构由于良好的CFRP板/芯界面粘合性能而保持了结构完整性。 基于竹分形晶格的分层自相似复合夹层结构的能量吸收机制。(a) CFRP 面板和夹芯板构件(b) 压缩过程的变形机制(c) 力-位移曲线(d)压缩载荷下的损伤形式 根据目前的分析，与蛇形分形结构相比，蜂窝和竹子分形结构表现出优越的能量吸收能力。此外，竹子分形结构具有最高的能量吸收能力。数值结果表明，具有七个单元的竹子分形结构有效地代表了具有单元阵列的自相似结构的能量吸收能力。最终，3D打印的自相似复合夹层结构作为轻质吸能结构展现出巨大的潜力。 论文链接：https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2024.110453 注：本文内容由3D打印技术参考整理编辑，转载请点击转载须知。欢迎转发 主编微信：2396747576（请注明身份）;硕博千人交流Q群：248112776；网址： 延伸阅读： 1.上汽大众高级总监：增材制造技术在汽车工业中的应用案例和展望 2.卢秉恒院士团队：连续纤维增强聚合物复合材料的3D打印——发展、应用与展望 3.通知：2024 AM China增材制造展参观攻略、展商名单、展位图！ 4.中国3D打印行业正处于创新与经济转型的交叉点，未来充满挑战与机遇

3D打印技术参考注意到，2024年3D打印技术领域第一篇Nature文章于2月27日发表。 来自中国科学院金属研究所的研究团队发表了题为“High fatigue resistance in a titanium alloy via near void-free 3D printing”的文章。该研究聚焦提升3D打印钛合金的疲劳性能，通过了解相变和晶粒生长的异步性，开发了Net-AM加工技术，成功重建了接近打印态的近无空洞TC4钛合金微观结构，实现了约1GPa的高疲劳极限，超过了当前所有增材制造和锻造钛合金以及其他金属材料的抗疲劳性。3D打印技术参考注意到，该研究获得央视新闻频道报道。 https://www.nature.com/articles/s41586-024-07048-1 研究背景 增材制造具有高设计自由度和低材料浪费的优点，但钛合金的疲劳性能是阻碍其广泛应用的关键因素。一般认为，除了孔隙之外，以超高冷却速率直接从熔池中获得的微观结构会对疲劳抗力造成不利影响。但最近的研究发现，钛合金的疲劳性能可以通过多次微观结构调整来提高，这就造成研究人员关于微观结构和疲劳性能之间关系的疑惑。一些线索也表明，真相可能并不是表面看起来那么简单。中科院团队之前的研究表明，微观结构与微孔在影响疲劳性能方面是耦合的，因此疲劳性能的改善可能是耦合效应改善的结果，而不一定是微观结构升级造成的。 Net-AM材料具有极高的抗疲劳性能。II：优化打印工艺和优化后处理的研究人员也可以通过不断减少空洞和进一步细化微观结构来分别实现超高疲劳性能。III：为抗疲劳增材制造提出了不同的方向，即粗打印工艺+精细NAMP处理。 此外，从钛合金的疲劳损伤机制来看，3D打印的微观结构具有超细板条、弱α′/α变体选择、干净的前β晶界以及非常有利于减少疲劳损伤的强度-塑性组合，这些特点都应使材料表现出优异的抗疲劳性。换句话说，3D打印的基础微观结构具有天然高抗疲劳性，而该性能的降低可能是微孔的存在造成的。相反，如果3D打印微观结构本身的自然抗疲劳性较差，则减少微孔的任何努力都是没用的。澄清这一问题对于增材制造技术的发展非常重要。 研究目标 该联合团队的目标就是辨别3D打印的钛合金微观结构是否具有天然的抗疲劳性，而首先是要制备出几乎无微孔的样品同时保持微观结构。 3D打印制造完全无微孔的样品目前几乎无法实现，无论如何优化工艺条件。实践过程中通常采用热处理消除微孔，但这又通常会导致微观结构的变化，如β晶粒长大变粗，独特的分层针状形态也变得破碎等。研究团队需要开发出一种热处理方式，在消除微孔的同时，保持或恢复自然打印的微观组织。 研究过程 为了实现重建无空隙增材制造微观结构的最初目标，该团队经过多次尝试开发了一种精心优化的热处理工艺，称为NAMP技术。 研究人员首先使用铂力特公司的BLT-S320打印了试样，之后在真空气氛中于550℃下进行2小时去应力退火，随后进行热等静压处理（HIP）。为完全消除微孔，热等静压的温度不宜太低；为便于后续处理中微观结构的再次细化，处理温度也不宜太高，特别是不能高于β相转变温度，否则将导致不可恢复的微观结构粗化。因此，在适当的HIP温度的基础上，研究人员进一步提高压力并采用空气冷却，尽可能消除缺陷，同时避免显微组织过度粗化。在920°C和150MPa下进行处理3小时，然后在氩气气氛中冷却。之后发现所有微孔都通过塑性变形辅助扩散塌陷和闭合，这表明打印样品中的微孔是完全封闭的，因此通过优化打印和HIP工艺基本上实现了创建无孔微结构的第一步尝试，此时的微观组织被称为HIP态。 打印状态和其他三种状态的微孔分布和微观结构（a–d：打印态、HIP后、Near-Net-AM 和 Net-AM 处理后） 尽管空隙基本上被成功去除，但这种方法导致3D打印的特殊微观结构特征消失。因此，必须探索进一步的热处理，试图恢复有益的增材制造微观结构特征。经过探索后，确定将热等静压与固溶处理和时效相结合（HIP+STA），经处理的试样可以获得与最初打印状态接近的微观组织特征。但实际上两者之间仍存在一些差异，主要反映为晶界α相富集；此外，一些小微孔往往会重新出现，但它们的数量明显少于打印态下的数量而且非常小。更重要的是，没有检测到更危险的未熔合孔洞的再生。因此，研究人员将HIP+STA处理后的微观结构称为近净增材制造微观结构（被称为Near-Net-AM），但其仍不是最佳的组织状态。 发现关键后处理工艺窗口 一个大的突破在于，研究人员发现，高温下3D打印钛合金的相变和晶粒生长具有异步性。即：只要有足够的过热度，就会立即发生α到β相的转变，而虽然已经到达了β相的生长温度，但晶界需要一段孕育期来重新排列。利用这一宝贵的热处理窗口，研究人员确定了热等静压与高温短时间处理相结合的热处理方法（被称为NAMP技术），既实现了组织细化，又防止了α相富集以及微孔的重新出现，且消除了所有不属于原始微观结构的缺陷，最终制备出几乎无微孔的近打印态（Net-AM）3D打印钛合金。 显著的疲劳强度提升 研究人员随后测试了这一Net-AM钛合金的极限疲劳性能，数值从475MPa提高到978MPa，提高106%。该结果还与负载比为R=0.1时的应力-寿命数据进行了比较，可以看出Near-Net-AM和Net-AM试样的显微组织的疲劳寿命优于3D打印和传统锻造的TC4的所有研究结果。特别是，考虑到疲劳数据的分散性，Net-AM微观结构的疲劳性能比其他微观结构具有显著优势。因此，研究人员得出结论，Net-AM显微组织的抗疲劳性能非常优异，远高于其他常见的TC4钛合金显微组织。这进一步表明许多3D打印的钛合金抗疲劳性较差主要是由于微孔的存在导致的，而不仅仅是微观结构的结果。 与其他微观结构和材料相比，Net-AM合金的疲劳强度超越了当前所有增材制造和锻造钛合金以及其他金属材料的抗疲劳性为了综合评价Net-AM微观结构的力学性能，研究人员从拉伸强度和疲劳极限的角度进一步将当前Net-AM微观结构的结果与其他微观结构进行比较。发现，Net-AM微观结构的优势进一步凸显，其疲劳极限比所有其他报道的3D打印和传统锻造材料至少高20%。而且，Net-AM Ti-6Al-4V在所有金属材料（包括钢、铝合金、钛合金、镁合金、铜合金、高温合金和高熵合金）中具有最高的比疲劳极限，这进一步增强了增材制造技术在制造抗疲劳部件方面的潜在优势。 注：本文内容由3D打印技术参考整理编辑，转载请点击转载须知。欢迎转发 主编微信：2396747576（请注明身份）;硕博千人交流Q群：248112776；网址： 延伸阅读： 1.2024年首篇Science，3D打印应用突破！ 2.3D打印新突破！2024年第二篇Science研究！ 3.Science团队再发自然通讯：纯铜3D打印获重大研究进展！ 4.国内外五所知名高校联合-增材制造超高强度钢顶刊综述！

超高强度钢具有优异的综合力学性能，已经广泛引起了人们对其先进制造的极大兴趣。增材制造的超高强度钢具有独特的微观结构，为实现良好机械性能提供了巨大潜力。日前，重庆大学研究人员联合新加坡科技局材料研究所、中山大学、英国埃克塞特大学、美国德克萨斯大学，综述了超高强度钢增材制造的最新研究进展，重点关注了增材制造超高强度钢的工艺、微观结构以及超高强度钢性能调控方法。这项工作对于科学地理解增材制造超高强度钢未来工作提供了重要且有意义的指导。相关研究成果发表于金属材料Top期刊《Journal of Alloys and Compounds》。 https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2023.1713901 简介 超高强度钢是在传统合金钢的基础上，通过添加多种合金元素来提高机械性能而开发的一系列钢。根据合金元素成分，分为低合金超高强度钢（LUHSS），中合金超高强度钢（MUHSS）和高合金超高强度钢（HUHSS）。超高强度钢具有超高强度和高延展性，具有高比强度和刚度，适应小型化，轻量化和高功能性的目标。因此超高强度钢广泛应用于航空航天，国防，矿产勘探，深海潜艇和远洋渡轮行业。近几十年来，增材制造（AM），也称为3D打印，被视为一种革命性的制造技术。它可以通过逐层沉积直接从3D模型制造出几何形状复杂的组件。增材制造技术还可以最大限度地减少材料浪费并缩短生产周期。作为一种很有前途的先进制造技术，增材制造技术生产的超高强度钢部件在工业应用中具有巨大的应用潜力。与传统制造技术相比，增材制造制备工艺具有特殊性，包括材料与高能束的相互作用，逐层积累，高冷却速率和循环加热。这些特征造就了制备的样品具有独特的微观结构，包括高密度位错、细晶粒、胞状结构，为超高强度钢带来了出色的机械性能。增材制造的超高强度钢未来趋势是向更好的综合力学性能发展，例如更高的强度，更好的延展性和更长的耐久性。特殊的微观结构与合适的后处理方法相结合，具有实现卓越综合机械性能的巨大潜力。这篇文章主要回顾了近年来对超高强度钢增材制造的研究，重点关注了增材制造超高强度钢工艺-微观结构-性能调控。 超高强度钢的性能调控方法大致可分为三类：前处理、工艺参数调控和后处理。基材预热是预处理之一，可以减少热应力和裂纹。工艺参数优化和后处理是广泛使用的调整方法，两者都可以改变微观结构并调整零件的机械性能。超高强度钢的打印过程是多个参数的协同作用，参数优化可以提高零件的机械性能。后处理工艺作为辅助工具，进一步调整微观组织和力学性能，但结果主要取决于原始的微观结构。 2预处理 增材制造工艺中的快速加热和冷却循环会产生较大的温度梯度，导致严重的热应力和开裂。预热在金属增材制造之前被广泛应用，是主要的预处理工艺之一。预热使得增材制造中具有更均匀的温度分布，是减轻热应力和裂纹的最有效方法之一。有学者比较了AISI H10钢在200°C和250°C基体预热温度下的缺陷形成和开裂行为，在200°C的预热温度和107 J/mm3的激光能量密度下获得了少量有缺陷的微观结构。相比之下，预热温度为250 °C，能量密度为99 J/mm3时候显著改善了裂纹。因此适当的预处理可以有效提高增材制造金属零件的成型质量。预热对制造热历史的影响包括温度分布、热循环和温度梯度。为了充分理解预热机理，研究者建立了圆形薄壁零件的三维瞬态传热有限元模型（图1a）。仿真结果表明，基体预热使热循环更平滑，降低了熔池的冷却速率。熔池的最大温度梯度也随着基材预热温度的升高而减小（图1b）。基板预热对调节热应力和开裂有相对影响，而对其他缺陷影响很小或没有影响。基板预热通过降低温度梯度来降低冷却速率，这会导致更粗的晶粒和更严重的微偏析。这在一定程度上降低了增材制造微观结构的精细度。预热主要应用于使用激光或电子作为热源的增材制造技术，主要用于钛合金，低强度碳钢和一些马氏体时效钢，适用于其他超高强度钢的预处理工艺需要进一步探索。 图1 基体预热温度对成型热历史影响的有限元分析：（a）具有各种基板预热温度的薄壁部件的温度分布，（b）从第一层到第十层中间点的熔池中的轴向温度梯度。3成型工艺 超高强度钢的增材制造过程是许多参数的协同结果，工艺参数能够影响热历史，从而改变零件的微观结构和机械性能。通过调整工艺参数来获得高性能增材制造超高强度钢部件对于保持积极的热历史至关重要。这部分重点介绍成形过程中的热源参数、扫描策略和打印方向。 3.1热源参数 以激光热源为例，热源参数包括激光功率、扫描速度和光斑直径。改变热源参数会引起热输入的变化，从而改变正在成型的零件的热历史。因此，热源参数对零件的机械性能有重大影响。调整热源参数可以改善材料的机械性能和成型质量。当热输入高时，热源会强力冲击熔池，熔池底部在填充之前凝固，导致高孔隙率。AF9628超高强度马氏体钢对激光器的高体积能量密度敏感。如图2a所示，研究者开发了Eagar-Tsai模型用于预测熔池的几何形状，建立了激光功率扫描速度扫描间距的最优工艺参数模型，如图2b所示。根据模型优化参数制备的试样显著降低了孔隙率，拉伸强度高达1.4 GPa，伸长率达到11%。研究发现过高的激光功率增加了熔池中的汽化和飞溅，导致高孔隙率，图3a显示了飞溅物形成的示意图。当激光功率超过130 W时，可以观察到飞溅，并且随着激光功率的增加而变得更加严重（图3b），这严重影响了成型零件的质量。 图2 激光功率和扫描速度的优化框架：（a）Eagar-tsai模型，（b）熔池几何形状的预测。 图3热源参数对飞溅的影响：（a）飞溅物形成示意图，（b）高激光功率引起的飞溅。 3.2扫描策略 扫描策略也会影响制造过程的热历史，以调整零件的机械性能。图4分别使用X和XY激光扫描策略打印的18%Ni300钢的微观结构上的EBSD。X扫描策略的密度和表面光洁度更高，而XY扫描策略的奥氏体相形成率接近60%。使用XY扫描策略导致柱状晶的优先生长发生在X和Y方向上，这导致较低的各向异性，较低的残余应力和高的机械性能。研究表明通过扫描策略的调整来控制马氏体时效钢的晶体织构，可以获得具有优异表面光洁度、高密度和良好机械性能的部件。根据四种增材制造沉积策略打印的H13钢试样，如图5所示。发现层间扫描方向的变化对试样的微观结构尺寸和分布影响大于融合通道扫描方向的变化。 图4 不同扫描策略的微观结构：X单向打印的侧表面（a）和顶部（b），XY双向打印的侧面（c）和顶部（d）。图5 相邻熔体通道和夹层打印方向的四种扫描策略。3.3 打印方向 打印方向是影响零件热历史的重要工艺参数之一。打印方向的变化会导致零件成型的熔化层数不同。在水平方向上创建圆柱形样品所需的层数少于在垂直方向上创建的层数。不同的打印方向导致不同的激光束扫描时间和热历史。学者使用LPBF技术分别沿水平和垂直方向打印18Ni300马氏体时效钢。图6a和b显示了沉积试样的微观结构，它们在打印方向上显示出细长的晶粒结构。这种晶粒结构在热处理后也没有完全消除，而是织构从<100>和<111>演变为<110>方向。 增材制造工艺是逐层沉积的，因此垂直打印的样品具有较慢的冷却速度。在垂直方向上具有较大细长晶粒导致硬度值较低，这可能导致结构各向异性。热处理可以削弱材料加工过程中产生的各向异性，打印方向在零件的耐磨性中起着积极作用。如图7a和b所示，时效处理后熔体通道之间的界面特征和细胞亚结构几乎消失，但纳米颗粒和打印取向仍然存在，可以提供高强度、抗开裂延伸和耐磨性。水平打印方向具有更高的强度、抗裂性和耐磨性，而垂直打印方向具有更好的抗裂纹扩展能力。 图6 打印方向对微观结构的影响。 图7 热处理后微观结构的SEM图像：（a）-（b）老化处理，（c）-（d）固溶处理。 增材制造工艺可以通过调整打印参数来改变能量输入，从而改变超高强度钢零件的成型热历史，改善零件微观结构和机械性能。激光功率的大小直接决定能量输入，扫描速度和扫描间距也会通过改变照射时间和照射范围改变粉末吸收的能量。增材制造中涉及的许多其他工艺参数，如扫描策略、打印方向和粉末层厚也对超高强度钢零件的成型热历史有重要影响。然而根据目前的报告。超高强度钢的增材制造工艺尚未得到充分研究。热历史中许多参数的机制尚不清楚，还有待更深入的研究。 欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流Q群：248112776；网址： 延伸阅读： 1.赵沧教授等对金属3D打印中的缺陷形成有了新认识，能充分控制熔池稳定性 2.清华大学于《科学》发表论文揭示金属3D打印中匙孔气泡缺陷的起源 3.金属材料选择性激光熔化过程中的冶金问题和质量控制 4.SLM过程中的缺陷类型、产生原因及其造成的不良影响

3D打印可以快速制造用于导电和热管理应用的复杂几何形状铜组件。然而，通过3D打印生产的纯铜或铜合金在室温和高温下通常会出现强度低或电导率低的问题。3D打印技术参考注意到，来自昆士兰大学、悉尼大学、丹麦技术大学、西北工业大学、重庆大学、皇家墨尔本理工大学、莫纳什大学（七所高校）的联合团队于2024年2月在自然通讯发表了题为“Manufacturing of high strength and high conductivity copper with laser powder bed fusion”的文章。 需要注意的是，该联合团队的Yingang Liu, Jingqi Zhang、Yu Yin、Xiaoxu Huang刚刚于同月作为共同作者在Science发表了关于高性能钛合金3D打印的研究。本篇自然通讯文章同样取得了重大的研究进展，所开发的3D打印强化纯铜，优于红外激光、绿激光和电子束打印的纯铜性能，且强于NASA开发的GRCop-42和GRCop-84！ https://doi.org/10.1038/s41467-024-45732-y 研究背景 纯Cu对于红外激光具有高反射率，因此由最常用的LPBF 3D打印机制造的纯Cu部件通常具有高孔隙率，导致机械和导电性能差。尽管使用绿激光或电子束的增材制造能够制造密度相对较高的纯铜组件，但纯铜在室温下固有的低强度及其无法抵抗热软化的能力阻碍了增材制造的铜部件在要求机械载荷和高温条件下的应用。 a激光增材制造工艺示意图；b材料的激光反射率 将Cu与Cr和Zr等元素合金化提高了激光吸收率并提高了强度，但是由于它们在Cu中的高固溶度，该方法降低了材料的导电性。另一种方法是添加不混溶的异质颗粒来增强，同时保持高电导率。实践证明，要实现外部添加纳米颗粒的充分分散和均匀分布，既提高材料强度，同时颗粒团聚又不会降低延展性和损伤导电性，这是极其困难的。在3D打印铜部件中同时获得高强度和高导电性的挑战限制了其需要机械和物理性能良好平衡的应用。 设计策略 在自然通讯这篇文章中，研究人员展示了一种高强度、高电导率铜3D打印的设计策略，通过激光粉末床熔融 (L-PBF) 将一小部分六硼化镧 (LaB6) 纳米粒子均匀分散在纯铜中。研究证明了LaB6的微量添加可提高纯铜L-PBF工艺的可加工性、强度和热稳定性，同时保持高电导率。所提出的策略可以将3D打印铜组件的适用性扩展到需要高强度、高导电性和热稳定性的更苛刻条件。 该设计策略的关键特征是选择添加剂，其中的组成元素在固体铜中的溶解度可以忽略不计（因此对电导率的不利影响可以忽略不计），但在激光熔化过程中会溶解在熔池中（因此熔点不太高），随后在固化过程中以非常精细的分散度重新沉淀（因此提供了极好的强化）。标准如下： 1.颗粒的组成元素在Cu中的固溶性应可忽略不计，以最大限度减少其对电导率的有害影响，并最大限度增加纳米颗粒的再沉淀； 2.颗粒应当具有相对低的熔点，以最大限度增加在熔池中溶解的机会，并最大限度减少凝固过程中重新沉淀的纳米颗粒的粗化； 3.颗粒应当与熔融铜具有低润湿角，从而使纳米颗粒在液体铜中的聚集最小化。 研究发现 遵循这一设计策略，研究人员确定LaB6是合适的添加剂候选者。LaB6符合标准，因为它的熔点较低，组成元素在铜中的固溶度最小，并且与熔融铜的润湿角较小。添加到纯铜粉原料中的初始LaB6颗粒表现出不规则的形态，尺寸高达300nm。激光反射率测试表明纯铜粉在红外激光范围内表现出极高的反射率，当掺入1.0wt%的LaB6纳米粒子时，反射率显著降低。这种减少可归因于两个因素：LaB6固有的低激光反射率和LaB6纳米粒子的引入，增强了纯Cu粒子的表面粗糙度，促进粉末床内的多次反射。 实验结果也确实取得了改进：未添加LaB6的纯铜，即便在高激光功率下的也存在熔池不连续、未熔合、孔隙、表面粗糙等问题；而添加LaB6纳米颗粒后，材料的密度得到了提高，且晶粒相对较大。研究人员使用Micro-CT和EBSD证明了这一点。 LaB 6纳米粒子的表征 SEM、EDS、XRD、TEM等测试发现，在材料中发现了均匀分布且没有团聚的LaB6纳米颗粒，粒子呈现出平均尺寸低于100nm的矩形形状，并且与Cu基体具有不相干的界面。除此之外，SEM测试发现，La和B在Cu基体中的溶解非常有限，这最大限度减少了溶质对电导率的不利影响。XRD分析进一步表明Cu基体的晶格参数与纯Cu相同，表明溶解在固体Cu基体中的La或B可忽略不计。 因此得出结论，外部添加的形状不规则且尺寸较大的LaB6颗粒在熔融过程中溶解在熔池中，并且观察到的LaB6纳米颗粒是凝固过程中再沉淀的产物，进一步实验也排除了热循环引起的固态相变的可能性。 机械性能和导电性极为出色 3D打印技术参考注意到，联合团队开发的1.0LaB6强化纯铜具有极优秀的机械性能和其他物理性能。具体表现在： 1. 强于近红外激光和绿激光3D打印的纯铜 为了评估LaB6纳米颗粒对机械和导电性能的影响，研究人员对L-PBF工艺3D打印的纯铜和强化纯铜进行了拉伸测试和电导率测量。 纯铜的屈服强度为73±2MPa，极限拉伸强度为121±1MPa，断裂伸长率为 10.8±1.1%，电导率为88.3%IACS，计算出相应的热导率为347W m−1 K−1。纯铜的低强度和低导电率是由于高密度孔隙的存在。强化纯铜的屈服强度为347±2MPa，极限拉伸强度为412±7MPa，断裂伸长率为22.8±1.2%，电导率为98.4%IACS。计算出热导率为387W m−1 K−1。 绿激光和电子束制备的纯铜与1.0LaB6-Cu的拉伸性能比较 虽然可以使用绿激光制造高密度纯铜零件，但这些零件的强度仍然明显低于该研究中所达到的强度。强度的显著增强主要归因于LaB6纳米粒子的弥散强化。延展性的改善部分归因于抗剪切纳米颗粒的均匀分散所导致的应变硬化的改善，以及孔隙率和缺陷的减少。电导率的提高源于所制造部件的更高密度以及均匀分散的LaB6纳米粒子的最小负面影响。 2. 比GRCop-42和GRCop-84铜合金更优秀 总体而言，高强度、高延展性与高电导率相结合，使1.0LaB6强化纯铜优于传统和增材制造的纯铜、铜合金和铜基复合材料。即使是NASA开发的GRCop-42合金和GRCop-84，其85% IACS和75% IACS的电导率仍然本研究的结果 。除了更高的电导率之外，与GRCop-42和GRCop-84合金相比，1.0LaB6强化纯铜Cu还表现出更高的强度，前者合金表现出在172-208MPa范围内的屈服强度。 材料的拉伸性能及电导率 有强化纯铜制造的几何复杂部件压缩机械性能 3. 与传统制造铜材料相当的性能组合 此外，虽然1.0LaB6强化纯Cu显示出与传统工艺生产的铜基复合材料相当的电导率与机械性能的独特组合，加上增材制造提供的更大的设计自由度，对于需要高强度、导电/导热以及几何复杂的铜组件的实际应用来说非常有吸引力。 4. 具有出色的抗软化性 除了室温机械性能外，1.0LaB6强化纯铜还在高温下表现出改善的热稳定性。铜及其合金通常在高温环境下会遭受严重的强度损失，最终导致服务故障本研究的材料表现出出色的抗软化性，即使在1050 °C退火后，仍保留80%的极限拉伸强度以及28%的断裂伸长率。 END 总之，该联合团队展示了一种通过在3D打印纯铜原料中添加少量LaB6颗粒来可靠制造具有高强度和高电导率的高密度铜部件的途径。该方法的关键是向纯Cu中引入适当的颗粒，使其能够溶解在熔池中并在凝固过程中均匀重新沉淀。新开发的1.0LaB6 强化3D打印纯铜填补了金属合金3D打印领域的主要空白，可用于需要苛刻的机械和导电/导热性能的应用。由于均匀分散的纳米粒子通常用于强化金属材料，因此这种设计策略以及凝固过程中相关的溶解和再沉淀可以扩展到其他合金系统，以开发用于增材制造的其他高强度材料。 注：本文内容由3D打印技术参考整理编辑，转载请点击转载须知。 欢迎转发 主编微信：2396747576（请注明身份）; 硕博千人交流Q群：248112776；网址： 延伸阅读： 1.电化学3D打印纯铜CPU热交换器，为AI芯片散热带来新机会 2.升华三维：使用挤出技术3D打印纯铜换热器 3.可采集、可分析！国产DED金属3D打印工艺监控迈出一大步！ 4.中国3D打印行业正处于创新与经济转型的交叉点，未来充满挑战与机遇

近日，华南理工大学杨永强教授的增材制造团队在SCI期刊《极端制造》（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM，2023年JCR影响因子14.7，位列工程/制造学科领域第一）上共同发表题为《In-situ additive manufacturing of high strength yet ductility titanium composites with gradient layered structure using N2》的研究文章，通过增材制造改变传统的均质材料实现纯钛材料打印性能与TC4合金相当。论文第一作者是华南理工大学机械与汽车工程学院的博士生肖云绵，宋长辉副教授为通讯作者。 研究背景 钛及其合金因其优异的生物相容性、低密度和高比强度而广泛应用于医疗植入物。然而目前广泛应用的医用钛合金（Ti6Al4V）中V元素可以引起恶性的组织反应,对人体产生毒副作用，存在一定的争议性。因此，开发无Al和V的高性能钛材料一直受到许多研究人员重视与关注。医用纯钛一直存在强度低、硬度低等问题，使其应用受到了很大的限制。为了提高商用纯钛的强度和硬度，在钛基体中添加陶瓷颗粒（如TiB、Mo2C和B4C等）作为增强相是常见的手段。然而，常用的增强相分散技术（如球磨或机械混合）通常不会在基体中产生非常均匀的分布，这将严重降低钛基复合材料的延展性。特别是，当增强相的尺寸减小到纳米级时，由于巨大的比表面积和范德华力，增强相容易发生团聚。此外，它还可能会导致可加工性的恶化和裂纹倾向的增加。 贝壳珍珠层由天然材料的硬层和软层组成，从纳米尺度到宏观尺度不等，组装成复杂的层状结构。层状结构可以通过在刚性层和柔性层之间的边界处延伸裂纹和耗散能量来实现优异的力学性能。基于其自然构型创建层状结构可以提高其整体力学性能，包括抗裂性、抗拉强度等。因此，为了实现高性能纯钛增材制造，华南理工大学通过在激光选区熔化加工期间在层内或层之间注入不同浓度的N2，通过激光原位化学反应合成具有TiN陶瓷相增强的刚性层，并通过刚性层（硬陶瓷相）-韧性层（软金属相）分布的梯度层状结构方法来强化性能。论文中详细分析了N2浓度对TiN/Ti层状结构的显微组织、合成机理以及复合材料的力学性能的影响，强调了增材制造与原位合成的适用性，以促进具有梯度层状结构的钛基复合材料强度和塑性协同匹配。 研究内容 纯钛在不同N2浓度下，激光选区熔化原位合成物相变化。随着N2浓度的变化，激光选区熔化成形纯钛的物相组成变化。在Ar下激光选区熔化成形的样品与钛粉末的XRD结果几乎一致，未有其它物相发现，均为α/α'-Ti峰。此外，在5%N2（其余气体为Ar）的混合气氛条件下也只发现α-Ti物相，并未发现有TiN相。N2浓度大于10%时，开始检测有TiN峰，进一步佐证N2>10%时激光选区熔化原位合成物相组成为TiN和α-Ti。 图2 激光选区熔化原位合成钛基复合材料的XRD结果：（a）在不同的N2浓度下结果，（b）显示TiN峰结果 纯钛在不同N2浓度下，激光选区熔化原位合成显微组织差异。激光选区熔化在Ar+0/5/10/15%N2下形成样品的EBSD织构和晶粒尺寸，随着N2浓度的增加，晶粒形态逐渐发生变化。如图3所示，与在Ar下激光选区熔化的纯钛晶粒相比，在低（5%）N2浓度下，观察到更细的针状α′-Ti晶粒，具有更明显的分级结构。此外，在10%N2和15%N2样品中观察到大量低角度晶界（图3(c-d)），这与在5%N2下激光选区熔化或传统技术中制造的纯钛形成鲜明对比。根据钛晶格中的伯氏矢量关系：{110}β//(0001)α和<111>β//<11-20>α，可以肯定的是，在Ar中通过激光选区熔化成形的的母相β晶粒形状更加规则（图3(e)）。相反，对于N2下样品，由于母相β晶粒的形状变得不规则，α/α′板条晶粒变成了平行的小板状（图3(g)），从而影响了生长过程。在15%N2条件下，连续的柱状晶粒生长被打乱，在搭接区出现了更粗的柱状晶粒（图3(h)）。这可能表明，在成形Ar保护气中引入N2会对熔池周围产生更显著的热影响，原位合成的TiN成为成核点，从而导致母相β晶粒外延生长较少。总体而言，EBSD结果表明，在N2下通过激光选区熔化生成的纯钛显示出连续的取向变化和部分交叉取向，表明形成了亚微结构。此外，晶粒尺寸分布表明激光选区熔化成形纯钛的平均晶粒大小随着N2 浓度的增加晶粒尺寸逐渐减小。然而，进一步增大N2浓度，晶粒尺寸没有再显著减小。 图3 在Ar、5%N2、10%N2和15%N2下激光选区熔化打印的纯钛及钛基复合材料的EBSD结果：（a-d）IPF图，（e-h）相应重建的母体β晶粒的IPF，（i-l）相分布和（m-p）晶粒尺寸 层状结构和梯度层状钛基复合材料样品钛层和含TiN层界面EBSD如图4所示。在20%N2时，层状结构复合材料的钛基体为针状α/α′-Ti晶粒，这些晶粒与母相β晶粒平行。引入N2后，较高的冷却速率可导致较快的成核速率，从而细化α′-Ti晶粒。当梯度层状钛基复合材料在从N2成形层转换到下一个Ar层时，界面层顶部（即钛熔池底部）的一小部TiN转变为N并固态溶解在钛基体中，形成致密细小的针状α/α'-Ti晶粒。此外，由于采用逐层旋转 90°的扫描策略，热输入方向不断变化，亦中断了β晶粒的外延生长。图4（f-g）显示层状结构样品的细晶粒区（FGZ）和粗晶粒区（CGZ）的晶粒大小分别为2.7 μm和5.6 μm。梯度层状钛基复合材料样品的FGZ和CGZ晶粒大小分别为1.8 μm和3.5 μm。显然，与单层结构相比，具有更多梯度分层结构的N2原位合成复合材料具有更良的晶粒细化效果。 图4层状结构钛基复合材料EBSD：（a-b）层状结构钛基复合材料和（d-e）梯度层状钛基复合材料样品的IPF图，（c）相分布，（f-g）晶粒尺寸 纯钛在混合气体下激光选区熔化原位合成材料的力学性能：一般来说，对于激光选区熔化成形纯钛及其合金，如果间隙元素（N、O）含量较高，可能会引起固溶和脆性沉淀，导致力学性能（塑性）下降。但是，在这项研究中，低浓度N2中的激光选区熔化成形纯钛表现良好。尤其5%N2整体打印样品的极限拉伸强度（UTS）、屈服强度和塑性分别比Ar下纯钛样品的拉伸强度（696.48±2.95 MPa）和屈服强度（599.19±9.57 MPa）分别高出37.7%和47.9%。高浓度N2下（15%N2）的机械性能仅略有提高，但塑性几乎不存在（图5）。这是因为当N2浓度达到10%及以上时，熔融Ti和N原子间的原位合成程度增加，样品产生了更多的N固溶体，甚至过量的TiN颗粒使钛基体延展性变低。 然而，层状复合材料不仅强度上比钛基体高许多，还表现出良好的延展性。如图5所示，激光选区熔化原位合成的层状TiN/Ti复合材料性能大多居图右上位置，特别是在15%N2下，层状TiN/Ti复合材料强度能够提高36%，而塑性仍然可以保持20%的伸长率。此外，梯度层状TiN/Ti复合材料性能比其它外加颗粒强化钛基复合材料更优异，高强度的同时伸长率可能与纯钛基体的伸长率几乎相同。主要是对于层状结构复合材料样件，软相纯钛层中的几何必要位错(GND)在硬质TiN区域边界附近堆积和积累，在软层产生背应力，在硬质TiN层形成前向正应力，共同产生异质变形诱导(HDI)应力。因此，HDI增强和良好界面的结合协同提高了梯度层状结构复合材料的强度。 图5层状钛基复合材料与其他激光选区熔化成形纯钛或钛基复合材料的性能比较 在N2下激光选区熔化原位合成了TiN/Ti层状复合材料，并对其微观组织、力学性能进行了系统研究。实验表明，复合材料显微组织呈现Ti-TiN-Ti周期性的层状结构分布特征，TiN层与Ti基体界面结合良好。并且TiN/Ti梯度层状复合材料实现了比激光选区熔化均匀原位合成TiN/Ti复合材料的强度和塑性更均衡的调控，强度比纯钛基体的提高30%，同时塑性甚至可以达到钛基体相当的延伸率。 纯钛打印的极致性能在哪里，在TiN/Ti梯度层状复合材料基础，是否可以充分发挥SLM点线面三维空间成形优势，成形出具有空间非均质性强化的材料呢，进一步研究结果，我们也将持续跟踪。 注：本文内容由作者团队供稿。欢迎转发 主编微信：2396747576（请注明身份）;硕博千人交流Q群：248112776；网址： 延伸阅读： 1.王华明院士团队：激光定向能量沉积与锻造制备超高强度钛合金组织与力学性能的对比研究 2.大连理工：激光定向能量沉积法制备熔体自生氧化铝/钛酸铝的开裂机理研究 3.3D打印成功制备无裂纹、高性能超高温碳化钛陶瓷 4.Nature最新：超越TC4，3D打印获得更高强韧性钛-氧-铁合金