作者:马前等 来源:《先进材料》 发布时间:2024/1/12 17:13:48
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多拓扑结构的轻质高强金属力学超材料

 

近日,澳大利亚皇家墨尔本理工大学杰出教授马前团队通过多拓扑结构设计制备了多拓扑结构的高强钛超材料。2023年12月31日,该研究成果以“Titanium multi-topology metamaterials with exceptional strength”为题,发表在Advanced Materials期刊上。

材料研究者一直在追求设计制备轻质高强的金属材料。传统的合金设计以及后续热加工等传统冶金工艺局限于合金成分-工艺-组织-性能的研究框架,难以实现金属材料密度-强度的灵活组合。近些年随着金属3D打印工艺的日臻成熟,将毫米或亚毫米尺度的拓扑结构引入到多孔金属材料的设计,形成多孔构筑式金属材料(亦称之为金属超材料),可以实现金属材料密度-力学性能的灵活设计。

近期,澳大利亚皇家墨尔本理工大学杰出教授马前团队通过多拓扑结构设计(见图1),利用激光粉末床打印钛合金(Ti-6Al-4V),所打印的多拓扑结构的Ti-6Al-4V材料密度为1.0-1.8 g/cm3,屈服强度达到了133-263 MPa。若以通用的相对密度和相对屈服强度的指标评判,在同样的相对密度情况下(20-40%),其相对屈服强度远远超过了各类多孔金属相对屈服强度的经验上限(见图2)。此外,在绝对密度相似的情况下(1.8 g/cm3),其屈服强度(263 MPa)要比目前最强的商业镁合金WE54的屈服强度(165 MPa)高出60%左右。

该多拓扑结构的设计采用了以力学性能表现优异的杆状简单立方结构为基础,与板状简单立方结构相契合的方式,并且进一步引入中空杆设计进行综合强化,以实现不同强化机制的协同效应(图1)。该类多拓扑结构除了优异的力学性能表现外,由于其多孔中空设计,具备结构功能一体化的特征。此外,在每个主要的加载或受力方向,其结构均匀对称,性能一致。

图1:多拓扑结构的多孔钛合金材料设计示意图。设计的钛合金多孔材料密度为1.0-1.8 g/cm3。其中的蓝色结构部分为母体的空心杆结构的点阵材料(HSL),而贯穿于其中的黄色结构部分为薄板结构的点阵材料(TPL)。两者紧密结合成TP-HSL的多拓扑结构。图的底部所显示的三个样品为打印后密度为1.0-1.8 g/cm3的多拓扑结构钛合金材料。

图2:所打印的多拓扑结构的多孔钛合金材料性能(屈服强度,弹性模量,相对密度)与现有各类多孔金属材料性能对比。图中的红色破折线为现有多孔金属材料的经验强度极限。蓝色空心三角符号代表了多拓扑结构多孔钛合金材料(TP-HSL)的力学性能,其相对屈服强度明显超过现有的经验强度极限(上图),而其相对弹性模量与目前最好的多孔金属材料的性能相当(下图)。

(来源:科学网)

相关论文信息:https://doi.org/10.1002/adma.202308715

 
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