3D打印制造創新：鈦合金晶格+鋁液鑄造，打造輕質高強金屬復合材料

3D打印技術參考注意到，多倫多大學工程學院的一支華人研究團隊設計出一種新型材料，它既非常輕又極其堅固——即使在500℃的溫度下也能保持強度。這些特性使其在航空航天和其他高性能行業中具有極大的應用價值。這種新型復合材料由金屬合金和納米級析出物組成，其結構模仿鋼筋混凝土，但尺度是微觀的。

這項研究以“在具有鋼筋混凝土啟發結構的鋁基復合材料中實現更高的機械性能”為題發表于Nature Communications，提出了一種受鋼筋混凝土結構啟發的鋁基復合材料，通過結合3D打印與微鑄造技術，實現了在高溫下仍保持優異力學性能的復合材料。

傳統鋁合金和鋁基復合材料在高溫（>300°C）下強度顯著下降，限制了其在高溫環境中的應用。而在鋼筋混凝土結構中，鋼筋提供抗拉強度，混凝土提供抗壓強度。研究人員以此為靈感，設計出在金屬3D打印晶格結構中引入鋁基復合材料的多尺度增強結構。

工藝原理：金屬3D打印技術與精密微鑄造相結合

本研究的核心制造策略是創新性地整合了金屬3D打印技術與精密微鑄造工藝。研究人員首先使用Unigraphics NX軟件設計了具有立方晶格單元的Ti6Al4V（鈦合金）三維網格模型，其單元尺寸為0.5毫米，支柱直徑僅為0.1毫米。隨后通過SLM工藝精確地制造出這種結構復雜、預定義的鈦合金支架。

在成功打印出Ti6Al4V網格后，再進行關鍵的微鑄造，實現金屬“骨架”與鋁基“混凝土”的復合。將打印好的鈦合金網格置于氧化鋁模具中，并在真空環境下于800攝氏度進行預處理，用熔融的AlSi7Mg鋁合金液滴潤濕網格表面15分鐘，這一步驟至關重要，旨在確保后續澆注時鋁液能在微米尺度的網格結構中充分流動和填充。之后，將熔融的AlSi7Mg合金注入模具，使鈦合金網格完全浸沒在鋁液中，并在800攝氏度下保溫2小時。在此過程中，不僅完成了鋁基體的鑄造，更關鍵的是，熔融鋁與鈦合金發生了原位反應，在界面處生成了大量微米級的Al?Ti增強顆粒，從而在基體中形成了第二級強化相。

整個工藝鏈以熱處理收尾，包括在545℃下固溶處理12小時，水淬，再在170℃下進行8小時的時效處理，以在鋁基體內析出納米級的金屬間化合物，如AlSi?Ti?和硅化物，從而構成第三級，即納米尺度的強化效應。

受鋼筋混凝土結構概念啟發的多尺度鋼筋復合材料示意圖

通過這套“設計-打印-鑄造-處理”的集成方法，研究人員成功制備出了具有毫米級Ti6Al4V骨架、微米級Al?Ti顆粒和納米級析出相的多尺度協同增強復合材料，其內部孔隙率被控制在極低的0.5%以下，為材料在室溫乃至500℃下實現卓越的力學性能奠定了堅實的結構基礎。

隨后，研究團隊對這種新材料進行了各種測試，以確定其強度。? 研究人員表示，在室溫下，得到的最高屈服強度約為700MPa；而典型的鋁基體屈服強度約為100至150MPa。

規避高強-輕量化權衡困境的RC-AMC的預測、優化和開發

它真正的優勢在于高溫性能。在500℃的屈服強度為300至400MPa，而傳統鋁基復合材料的屈服強度約為5MPa。事實上，這種新型金屬復合材料的性能與中等強度鋼材相當，但重量只有后者的三分之一左右。

這種材料在如此高的溫度下仍具有較高的強度，這令人驚訝，因此研究團隊建立了詳細的計算機模型來了解其中的原理。? 論文的另一位合著者陳慧聰領導了這些計算機模擬。 其表示，“在高溫下，這種復合材料的變形機制與大多數金屬不同。我們將這種新機制稱為增強孿晶，它使材料即使在非常高溫度下也能保持大部分強度。”

多尺度變形機理分析

但研究人員也表示，這種新材料可能還需要一段時間才能被工業界應用，但它的發現體現出增材制造與其他傳統制造技術相結合的優勢。?大規模生產這類材料的成本仍然很高，但在某些應用領域，其高性能是值得的。

注：本文由3D打印技術參考創作，未經聯系授權，謝絕轉載。

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