基于仿生三維人工珍珠狀結構的高強度和高韌性Ti6Al4V-Ti金屬復合材料

供稿人：陳旭、王富 供稿單位：西安交通大學機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室

基于增材制造的Ti6Al4V是一種具有高強度和可調模量的金屬材料，被廣泛應用于工業(yè)承載零件和骨科植入物制造。但是，增材制造帶來的缺陷使這種高強度材料的韌性顯著下降，會影響到產品的長期服役性能，如何提高基于增材制造的Ti6Al4V的韌性成為近些年研究的熱點。基于自然結構（如珍珠結構）的仿生結構，通常由類似“軟磚和硬砂漿”周期重復的結構組成。這種仿生結構可以通過軟材料的緩沖克服硬材料本身的脆性，從而提高復合材料的韌性。

長沙理工大學聯(lián)合南昌航空大學、嘉興大學和中科院金屬研究所等單位，首次提出了一種基于仿生人工珍珠狀結構的Ti6Al4V-Ti復合材料。在這種復合金屬材料中，引入第二相純Ti金屬，從而由硬砂漿(即基于增材制造的Ti6Al4V微網格)約束第二相軟磚材料(純Ti)。制備過程如圖1所示，首先采用選擇性激光熔化(SLM)法制備體積分數(shù)為14%的三維Ti6Al4V網格，然后采用純鈦粉填充網格空隙并利用熱等靜壓法制備Ti6Al4V-Ti復合材料。

圖1 Ti6Al4V-Ti珍珠狀結構復合材料的制備過程示意圖

由此制備的類珍珠狀結構復合材料具有“軟磚”和“硬砂漿”的獨特周期性分布（如圖2所示），并且二者之間形成了良好粘結界面。這種獨特的復合材料結構同時顯示出高強度和高斷裂韌性，超過了使用兩種材料簡單混合制備的樣品的力學性能。兩相結構之間的三維非均質塑性變形誘發(fā)了力學不相容，從而起到了特殊強化和增韌作用。這種人工三維“軟磚硬砂漿”的結構新策略，可以進一步應用于其他金屬和合金，為工業(yè)相關的創(chuàng)新異質材料的發(fā)展指明方向。

圖2 用EBSD觀測珍珠狀結構復合材料的微觀組織及兩相結構的晶粒尺寸分布

Ti6Al4V-Ti復合材料、實體純Ti材料和Ti6Al4V骨架結構的三點彎曲試驗曲線及破壞形態(tài)如圖3所示。與實體純Ti結構相比，該復合材料具有較低的彎曲韌性，但具有更加良好的彎曲強度（1150 MPa）。依據(jù)ASTM 399標準的測試結果顯示，該復合材料的斷裂韌性(KIC)可達48.7 MPa•m1/2，高于實體純Ti（26.1 MPa•m1/2）。這種新策略使人工設計的金屬復合材料的制造成為可能，并可以進一步擴展到其他合金化合物，從而實現(xiàn)高性能仿生結構金屬材料的精確制造。

圖3 Ti6Al4V-Ti復合材料、實體純Ti材料和Ti6Al4V骨架結構的三點彎曲試驗曲線及破壞形態(tài)

參考文獻：
Xiaochun Liu, Zheng Liu, Yujing Liu, Zainab Zafar, Yanjin Lu, Xiang Wu, Yue Jiang, Zhiguang Xu, Zhenghua Guo, Shujun Li, Achieving high strength and toughness by engineering 3D artificial nacre-like structures inTi6Al4V-Ti metallic composite, Composites Part B: Engineering, (2021), 109552: 1359-8368, doi: https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2021.109552.