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基于仿生三维人工珍珠状结构的高强度和高韧性Ti6Al4V-Ti金属复合

基于增材制造的Ti6Al4V是一种具有高强度和可调模量的金属材料,被广泛应用于工业承载零件和骨科植入物制造。但是,增材制造带来的缺陷使这种高强度材料的韧性显著下降,会影响到产品的长期服役性能,如何提高基于增材制造的Ti6Al4V的韧性成为近些年研究的热点。基于自然结构(如珍珠结构)的仿生结构,通常由类似“软砖和硬砂浆”周期重复的结构组成。这种仿生结构可以通过软材料的缓冲克服硬材料本身的脆性,从而提高复合材料的韧性。

长沙理工大学联合南昌航空大学、嘉兴大学和中科院金属研究所等单位,首次提出了一种基于仿生人工珍珠状结构的Ti6Al4V-Ti复合材料。在这种复合金属材料中,引入第二相纯Ti金属,从而由硬砂浆(即基于增材制造的Ti6Al4V微网格)约束第二相软砖材料(纯Ti)。制备过程如图1所示,首先采用选择性激光熔化(SLM)法制备体积分数为14%的三维Ti6Al4V网格,然后采用纯钛粉填充网格空隙并利用热等静压法制备Ti6Al4V-Ti复合材料。

图1 Ti6Al4V-Ti珍珠状结构复合材料的制备过程示意图

由此制备的类珍珠状结构复合材料具有“软砖”和“硬砂浆”的独特周期性分布(如图2所示),并且二者之间形成了良好粘结界面。这种独特的复合材料结构同时显示出高强度和高断裂韧性,超过了使用两种材料简单混合制备的样品的力学性能。两相结构之间的三维非均质塑性变形诱发了力学不相容,从而起到了特殊强化和增韧作用。这种人工三维“软砖硬砂浆”的结构新策略,可以进一步应用于其他金属和合金,为工业相关的创新异质材料的发展指明方向。

图2 用EBSD观测珍珠状结构复合材料的微观组织及两相结构的晶粒尺寸分布

Ti6Al4V-Ti复合材料、实体纯Ti材料和Ti6Al4V骨架结构的三点弯曲试验曲线及破坏形态如图3所示。与实体纯Ti结构相比,该复合材料具有较低的弯曲韧性,但具有更加良好的弯曲强度(1150 MPa)。依据ASTM 399标准的测试结果显示,该复合材料的断裂韧性(KIC)可达48.7 MPa•m1/2,高于实体纯Ti(26.1 MPa•m1/2)。这种新策略使人工设计的金属复合材料的制造成为可能,并可以进一步扩展到其他合金化合物,从而实现高性能仿生结构金属材料的精确制造。

图3 Ti6Al4V-Ti复合材料、实体纯Ti材料和Ti6Al4V骨架结构的三点弯曲试验曲线及破坏形态