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近日，3D打印技术参考指出，墨尔本理工大学马钱教授团队利用3D打印技术开发了钛合金晶格拓扑超材料所得结构具有与镁合金相同的密度（185g cm），但屈服强度大大提高。2023年12月31日，研究人员在Advanced Materials**上发表了一篇题为“Titanium multi-topology metamaterials with exceptional strength”的文章。 需要注意的是，由马钱教授领导的团队还在2023年发表了一项关于《自然》的重磅研究（点击）。
doi:10.1002/adma.202308715
机械金属超材料由相互连接的柱子、板、片或壳组成，其空腔或孔径从亚毫米到毫米不等，通常以重复单元排列。 它们是一类新兴的多功能材料，具有固体材料或传统多孔材料无法实现的多功能性。 然而，很少有金属晶格超材料能够实现比镁更好的机械性能，例如相似的密度（18g cm），但屈服强度可超过200MPa。这使得这些新型轻质材料无法用于更广泛的应用，例如那些需要显着承重和耐热或耐腐蚀性能的应用。
具有亚毫米到毫米的通道直径空心柱格（HSL）金属超材料它是机械超材料家族的一个新的研究方向。 随着粉末床熔融 （PBF） 增材制造技术的出现，制造挑战已经消除，该技术可以大大简化和制造更复杂的拓扑结构。 这方面的一个例子是通过LPBF技术3D打印Ti6Al4V超材料与复杂的空心柱状晶格。该结构具有优异的结构效率，力学性能优于相同密度的实心支柱晶格（SSL）材料，是高效的柱状晶格拓扑结构。
3D打印了具有空心柱格子的传统晶格结构。
然而，在空心节点区域的复杂应力集中仍然存在严重的结构缺陷。 这些应力集中会导致局部椭圆和开裂，导致晶格结构过早失效。 节点加固的引入可以有效降低节点区域的应力分布，但发现这种策略仍导致荷载错位空心柱**的应力面积明显接近零。
传统的实心支柱晶格（SSL）比相同密度的空心支柱晶格（HSL）弱，不适合基于HSL的多拓扑设计进行加固。 最近的研究发现，小块结构（TPLs）可以有效地分散应力。 为了在不妨碍其多功能拓扑结构的情况下改善空心柱晶格（HSL）的力学包络，研究人员提出将TPL拓扑结构集成到HSL拓扑结构的内部空心空间中，以创建协同薄板空心柱状晶格（TP-HSL）拓扑结构，以利用每个晶格的结构优势。 这种策略与以前的多拓扑晶格设计不同，它通过随机或确定晶格设计空间中各种晶胞单元的位置。 它创建了一个两级相干架构，该架构提供高机械强度，同时具有开孔性，以保持 HSL 拓扑的多功能性，例如用于流体控制或混合、增强仿生学和热导率控制。
研究人员提出了多种拓扑集成策略。
研究人员提出了多种拓扑集成策略，其中，将亚毫米厚的Ti-6Al-4V层状层组成的简单立方TPL单元嵌入简单立方Ti-6Al-4V空心柱状晶格HSL的空心空间中，形成单个Ti-6Al-4V薄板集成空心柱状晶格（TP-HSL）。 通过选择一致的晶胞设计（例如简单的立方晶格池），可以很容易地实现共拓扑结构，因为支柱和板遵循一致的方向，无需操纵晶胞。 此外，这种 TP-HSL 拓扑结构旨在将所有负载未对准的水平支柱安全地互连到负载对齐的板上，确保有效的应力分布，从而实现高结构效率。
采用HSL（左列）和TP-HSL（右列）连续体模型进行各向同性线弹性分析。
Ti-6Al-4V因其中密度、高强度、优异的耐腐蚀性、在广泛的腐蚀性介质（海水、氧化性酸、氯化物、火箭推进剂）中具有成本效益，可以采用LPBF工艺进行打印，并且具有丰富的数据库，适用于广泛的应用条件。 这些特性使其成为许多关键应用的首选材料，也是金属增材制造中研究最广泛的合金。
采用LPBF工艺制备的Ti-6Al-4V TP-HSL试样。
不同密度Ti-6Al-4V、TP-HSL和HSL试件对单轴压缩及其破坏模式的力学响应.
与现有金属晶格的性能比较。
最后，Ti-6Al-4V 3D打印的一体化空心柱状晶格超材料的密度分布为10–1.8G cm，其相对屈服强度远远超过所有蜂窝金属的经验上限，包括由各种金属合金制成的空心支柱晶格（HSL）和实心支柱晶格（SSL）超材料。 此外，它们的绝对屈服强度大大超过同等密度的镁合金，同时继承了Ti-6Al-4V的高耐腐蚀性、生物相容性、耐热性等独特性能。 总体而言，钛多孔晶格拓扑超材料扩展了轻质多功能金属材料的边界。
由于Ti-6Al-4V具有低密度、高屈服强度（>250 MPa）等特点，加上Ti-6Al-4V的耐热性好（高达350 °C）、耐腐蚀性和生物相容性等内在特性，可作为高超音速飞行器等高要求热防护系统的核心结构。 特别是，当使用高温钛合金TI-SF61打印时，它们可以在高达600°C的温度下进一步使用。 这些重要特性也使它们成为钛无人机的潜在材料，用于近距离和延长飞行时间监测或扑灭丛林大火或严重的工业火灾。 其他应用包括轻质结构（更轻、更坚固、更耐热、更耐腐蚀），以取代国防和航空航天领域的镁合金部件。 然而，对于需要高效流体流动的应用，这些 TP-HSL 设计可能不是最佳解决方案，因为它们会影响流体流动。 从设计角度来看，当前TP-HSL架构的结构效率可以进一步提高。
注：本文内容为**增材制造技术前沿。