RMIT研究團隊開發(fā)新型超強鈦結(jié)構(gòu)，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(xué)（RMIT）的研究人員成功利用3D打印技術(shù)制造出超強的鈦結(jié)構(gòu)。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(yīng)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(jié)構(gòu)設(shè)計思路

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

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

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

研究人員表示："理想情況下，所有復(fù)雜蜂窩材料中的應(yīng)力都應(yīng)均勻分布。然而，對于大多數(shù)拓撲結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)上并不重要。我們設(shè)計了一種空心管狀晶格結(jié)構(gòu)，內(nèi)部有一條細帶。這兩種元素一起展現(xiàn)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(jié)構(gòu)來均勻分布應(yīng)力，我們避免了應(yīng)力通常集中的弱點?！?br />

△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(xué)的先進制造區(qū)，使用激光粉末床熔融技術(shù)3D打印了這一設(shè)計。測試結(jié)果表明，打印設(shè)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(yīng)用中類似密度的最堅固合金。新結(jié)構(gòu)有效地將集中在晶格薄弱點上的應(yīng)力減少了一半。雙晶格設(shè)計還意味著任何裂紋都會沿著結(jié)構(gòu)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，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(jié)構(gòu)樣品

該研究的主要作者、皇家墨爾本理工大學(xué)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(jié)構(gòu)。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(shè)備到飛機或火箭部件等多種應(yīng)用的理想候選材料。

Noronha說：“與目前商業(yè)應(yīng)用中使用的強度最高、要求高強度和輕質(zhì)的鑄造鎂合金相比，我們的鈦超材料密度相當(dāng)，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(xiàn)。”

△這項研究可能涉及了材料科學(xué)、工程學(xué)和計算機輔助設(shè)計等多個領(lǐng)域，旨在探索新型材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計和性能特征，為材料設(shè)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(xué)先進制造區(qū)技術(shù)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(shè)計、知識交流、基于工作的學(xué)習(xí)、關(guān)鍵問題解決和研究成果轉(zhuǎn)化來發(fā)現(xiàn)挑戰(zhàn)和創(chuàng)造機遇?！?br />
該團隊計劃進一步改進這種材料，以實現(xiàn)最高效率，并探索在更高溫度環(huán)境中的應(yīng)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(yīng)用于航空航天或消防無人機。由于制造這種新材料的技術(shù)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(fù)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(shù)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(shù)可以方便地制造出實際應(yīng)用中的凈形?！?br />