基于仿生三维人工珍珠状结构的高强度和高韧性Ti6Al4V-Ti金属复合材料

供稿人：陈旭、王富 供稿单位：西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室

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

参考文献：
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.