3D 打印创新：钛合金晶格 + 铝液铸造 轻质高强金属复合材料

D打印技术参考注意到，多伦多大学工程学院的一支华人研究团队设计出一种新型材料，它既非常轻又极其坚固——即使在500℃的温度下也能保持强度。这些特性使其在航空航天和其他高性能行业中具有极大的应用价值。这种新型复合材料由金属合金和纳米级析出物组成，其结构模仿钢筋混凝土，但尺度是微观的。

这项研究以“在具有钢筋混凝土启发结构的铝基复合材料中实现更高的机械性能”为题发表于Nature Communications，提出了一种受钢筋混凝土结构启发的铝基复合材料，通过结合3D打印与微铸造技术，实现了在高温下仍保持优异力学性能的复合材料。

传统铝合金和铝基复合材料在高温（>300°C）下强度显著下降，限制了其在高温环境中的应用。而在钢筋混凝土结构中，钢筋提供抗拉强度，混凝土提供抗压强度。研究人员以此为灵感，设计出在金属3D打印晶格结构中引入铝基复合材料的多尺度增强结构。

工艺原理：金属3D打印技术与精密微铸造相结合

本研究的核心制造策略是创新性地整合了金属3D打印技术与精密微铸造工艺。研究人员首先使用Unigraphics NX软件设计了具有立方晶格单元的Ti6Al4V（钛合金）三维网格模型，其单元尺寸为0.5毫米，支柱直径仅为0.1毫米。随后通过SLM工艺精确地制造出这种结构复杂、预定义的钛合金支架。

在成功打印出Ti6Al4V网格后，再进行关键的微铸造，实现金属“骨架”与铝基“混凝土”的复合。将打印好的钛合金网格置于氧化铝模具中，并在真空环境下于800摄氏度进行预处理，用熔融的AlSi7Mg铝合金液滴润湿网格表面15分钟，这一步骤至关重要，旨在确保后续浇注时铝液能在微米尺度的网格结构中充分流动和填充。之后，将熔融的AlSi7Mg合金注入模具，使钛合金网格完全浸没在铝液中，并在800摄氏度下保温2小时。在此过程中，不仅完成了铝基体的铸造，更关键的是，熔融铝与钛合金发生了原位反应，在界面处生成了大量微米级的Al₃Ti增强颗粒，从而在基体中形成了第二级强化相。

整个工艺链以热处理收尾，包括在545℃下固溶处理12小时，水淬，再在170℃下进行8小时的时效处理，以在铝基体内析出纳米级的金属间化合物，如AlSi₂Ti₆和硅化物，从而构成第三级，即纳米尺度的强化效应。

受钢筋混凝土结构概念启发的多尺度钢筋复合材料示意图

通过这套“设计-打印-铸造-处理”的集成方法，研究人员成功制备出了具有毫米级Ti6Al4V骨架、微米级Al₃Ti颗粒和纳米级析出相的多尺度协同增强复合材料，其内部孔隙率被控制在极低的0.5%以下，为材料在室温乃至500℃下实现卓越的力学性能奠定了坚实的结构基础。

随后，研究团队对这种新材料进行了各种测试，以确定其强度。  研究人员表示，在室温下，得到的最高屈服强度约为700MPa；而典型的铝基体屈服强度约为100至150MPa。

规避高强-轻量化权衡困境的RC-AMC的预测、优化和开发

它真正的优势在于高温性能。在500℃的屈服强度为300至400MPa，而传统铝基复合材料的屈服强度约为5MPa。事实上，这种新型金属复合材料的性能与中等强度钢材相当，但重量只有后者的三分之一左右。

这种材料在如此高的温度下仍具有较高的强度，这令人惊讶，因此研究团队建立了详细的计算机模型来了解其中的原理。  论文的另一位合著者陈慧聪领导了这些计算机模拟。 其表示，“在高温下，这种复合材料的变形机制与大多数金属不同。我们将这种新机制称为增强孪晶，它使材料即使在非常高温度下也能保持大部分强度。”

多尺度变形机理分析

但研究人员也表示，这种新材料可能还需要一段时间才能被工业界应用，但它的发现体现出增材制造与其他传统制造技术相结合的优势。 大规模生产这类材料的成本仍然很高，但在某些应用领域，其高性能是值得的。#增材制造 #3D打印