RMIT研究團隊開發(fā)新型超強鈦結構，比傳統(tǒng)合金強度提升50%

2024年4月22日，南極熊獲悉，墨爾本皇家理工大學（RMIT）的研究人員成功利用3D打印技術制造出超強的鈦結構。他們開發(fā)了一種新的方法，通過將鈦粉末與石墨烯混合，并使用激光進行熔化，制造出了具有出色強度和耐久性的鈦合金，比目前航空航天應用中使用的類似密度的次強合金強50%。

△該研究成果已發(fā)表于《先進材料》，題目為“具有超常強度的鈦多拓撲超材料”（傳送門）

先進制造業(yè)更理想的結構設計思路

該材料的晶格結構最初靈感源自大自然，如維多利亞睡蓮或耐寒的風琴管珊瑚等強健的空心莖植物，它們展示了輕質與強度相結合的方法。然而，盡管人們幾十年來一直試圖在金屬中復制這些中空的“細胞結構”，但由于制造性和負載應力集中在中空支柱內部等常見問題，導致未能如愿。

通過將金屬3D打印設計推向極限，研究團隊優(yōu)化了一種新型晶格結構，使應力分布更加均勻，從而提高了其強度或結構效率。

△壓縮測試顯示（左）空心支柱晶格上的紅色和黃色應力集中，而（右）雙晶格結構更均勻地分散應力以避免熱點

研究人員表示："理想情況下，所有復雜蜂窩材料中的應力都應均勻分布。然而，對于大多數拓撲結構來說，通常只有不到一半的材料主要承受壓縮載荷，而較大體積的材料在結構上并不重要。我們設計了一種空心管狀晶格結構，內部有一條細帶。這兩種元素一起展現了自然界中從未見過的力量和輕盈。通過有效地合并兩個互補的晶格結構來均勻分布應力，我們避免了應力通常集中的弱點�！�

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

研究人員在皇家墨爾本理工大學的先進制造區(qū)，使用激光粉末床熔融技術3D打印了這一設計。測試結果表明，打印設計（鈦晶格立方體）的強度比鑄造鎂合金WE54高出50%，而WE54是航空航天應用中類似密度的最堅固合金。新結構有效地將集中在晶格薄弱點上的應力減少了一半。雙晶格設計還意味著任何裂紋都會沿著結構發(fā)生偏轉，從而進一步提高了韌性。

△博士生拿著以立方體形式3D打印的新型鈦晶格結構樣品

該研究的主要作者、皇家墨爾本理工大學博士候選人Jordan Noronha表示，他們可以利用不同類型的打印機，制作出幾毫米或幾米大小的這種結構。這種可打印性，以及強度、生物相容性、耐腐蝕性和耐熱性，使其成為從骨植入物等醫(yī)療設備到飛機或火箭部件等多種應用的理想候選材料。

Noronha說：“與目前商業(yè)應用中使用的強度最高、要求高強度和輕質的鑄造鎂合金相比，我們的鈦超材料密度相當，強度更高，而且在受到壓縮載荷時不容易發(fā)生永久性形狀變化。因此，它的制造過程更加可行，更容易實現�！�

△這項研究可能涉及了材料科學、工程學和計算機輔助設計等多個領域，旨在探索新型材料結構的設計和性能特征，為材料設計和制造提供新的思路和方法

皇家墨爾本理工的下一步計劃

皇家墨爾本理工大學先進制造區(qū)技術總監(jiān)、特聘教授Milan Brandt表示，該團隊歡迎希望可以獲得更多企業(yè)的幫助和合作。他說："我們的方法是通過合作設計、知識交流、基于工作的學習、關鍵問題解決和研究成果轉化來發(fā)現挑戰(zhàn)和創(chuàng)造機遇�！�

該團隊計劃進一步改進這種材料，以實現最高效率，并探索在更高溫度環(huán)境中的應用。雖然這種材料目前可耐高溫至350°C，但他們相信，利用更耐熱的鈦合金，這種材料可耐高溫至600°C，應用于航空航天或消防無人機。由于制造這種新材料的技術尚未普及，工業(yè)界采用這種材料可能還需要一些時間。

Noronha表示：“傳統(tǒng)的制造工藝對于制造這些復雜的金屬超材料并不實用，而且并不是每個人的倉庫里都有激光粉末床熔融機。不過，隨著技術的發(fā)展，它將變得更容易獲得，打印過程也將變得更快，使更多人能夠在他們的組件中使用我們的高強度多拓撲超材料。重要的是，金屬3D打印技術可以方便地制造出實際應用中的凈形。”