在純銅中添加鎳、鉬、釩和鉻等金屬，能夠借助Hall-Petch和Orowan效應(yīng)提高銅基體的強(qiáng)度。銅鉻鈮GRCop（GrCop-84和GRCop-42）系列是格倫研究中心專門為火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的主燃燒室襯里研發(fā)的銅合金，由于高導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性，在全球范圍內(nèi)廣泛適用于眾多應(yīng)用。

此前的報(bào)道多集中于采用這兩種合金制造燃燒室，對(duì)于GRCop系銅合金晶格的研究則是首次看到。晶格結(jié)構(gòu)的高表面積、高強(qiáng)度重量比和導(dǎo)熱特性使其在各種應(yīng)用中具有吸引力。由GRCop系合金制成的晶格結(jié)構(gòu)結(jié)合了該合金的高強(qiáng)度和導(dǎo)熱性，同時(shí)通過使用晶格結(jié)構(gòu)最大限度減輕了重量并增加了能量吸收，因此具有廣闊的應(yīng)用空間。而任何新興材料的結(jié)構(gòu)完整性和機(jī)械行為都是設(shè)計(jì)、制造和材料力學(xué)領(lǐng)域的重要研究課題。

3D打印技術(shù)參考注意到，美國亞利桑那大學(xué)和阿拉巴馬大學(xué)航空航天與機(jī)械工程系的團(tuán)隊(duì)研究了3D打印的GRCop-84銅合金晶格結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為。該研究分析了微觀結(jié)構(gòu)、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)之間的相互作用及其對(duì)增材制造的銅鉻鈮合金(GRCop-84)晶格結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)行為的綜合影響。測試的四種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是相對(duì)密度為30%的八角體桁架、相對(duì)密度為20%的菱形十二面體和菱形以及相對(duì)密度為15%的十二面體，單元晶胞的尺寸分2mm和4mm兩種，使用X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描和光學(xué)顯微鏡表征了孔隙率和晶粒結(jié)構(gòu)，對(duì)打印態(tài)樣品進(jìn)行了準(zhǔn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)應(yīng)變率測試。

晶格孔隙率量化

對(duì)晶格結(jié)構(gòu)打印態(tài)和熱等靜壓態(tài)（HIP）分別進(jìn)行X 射線斷層掃描，并提出了晶格體積分?jǐn)?shù)、空隙率和孔隙率的概念。晶格體積是指晶格內(nèi)材料的體積，空隙體積是掃描晶格內(nèi)空隙的體積?？障扼w積比是由總晶格體積歸一化的空隙總體積。計(jì)算空隙體積比，以量化孔隙率占總晶格體積的百分比。可以觀察到，熱等靜壓在降低晶格結(jié)構(gòu)的孔隙率方面是有效的，4mm晶胞尺寸對(duì)HIP的響應(yīng)更大，空隙體積比降低了40%，而2mm晶胞尺寸樣品的空隙體積比僅降低了22%。還觀察到基于樣品的晶胞尺寸的孔隙率變化。具有4mm晶胞的HIP樣品的孔隙率降低了57%，2mm晶胞尺寸的樣品的孔隙率減少了44%。

這意味著，孔隙率受晶胞尺寸和熱處理的影響，2mm晶胞尺寸的樣品不易形成孔隙。對(duì)比經(jīng)過熱等靜壓處理的樣品，發(fā)現(xiàn)熱處理可降低孔隙率，而且4mm單元晶格比2mm單元晶格對(duì)熱等靜壓熱處理更敏感。

變形機(jī)制

剪切帶已被認(rèn)為是結(jié)晶金屬適應(yīng)塑性的局部變形機(jī)制之一。位錯(cuò)的集體運(yùn)動(dòng)或機(jī)械孿生經(jīng)常導(dǎo)致顯微剪切帶發(fā)生。剪切帶也可以在結(jié)構(gòu)層面表現(xiàn)出來。據(jù)報(bào)道，結(jié)構(gòu)剪切帶出現(xiàn)在金屬泡沫和晶格結(jié)構(gòu)中。晶格結(jié)構(gòu)中結(jié)構(gòu)剪切帶的出現(xiàn)是通常與負(fù)載下降同時(shí)發(fā)生，從而導(dǎo)致能量吸收能力的損失。更好地了解觸發(fā)結(jié)構(gòu)剪切帶形成的潛在微觀和宏觀機(jī)制，可能會(huì)獲得控制它們的必要知識(shí)。

3D打印GRCop-84銅合金晶格結(jié)構(gòu)的變形和坍塌機(jī)制取決于熱處理和晶格的晶胞尺寸。在GRCop-84銅合金晶格結(jié)構(gòu)的壓縮測試中觀察到兩種主要的變形機(jī)制。第一種機(jī)制是剪切帶形成，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)中的晶胞以45度角塌陷；第二種機(jī)制是逐層塌陷直至致密化。在未接受熱等靜壓的4mm晶胞樣品中，剪切帶形成導(dǎo)致的失效成為主要變形機(jī)制。

準(zhǔn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)壓縮測試結(jié)果表明，變形趨勢與相對(duì)密度無關(guān)。無論拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和晶胞大小如何，打印態(tài)樣品在屈服后突然負(fù)載下降與結(jié)構(gòu)剪切帶形成或局部不穩(wěn)定導(dǎo)致層突然坍塌一致。具有4mm晶胞的GRCop-84結(jié)構(gòu)在經(jīng)熱等靜壓后可以在屈服開始時(shí)去除剪切帶。由2mm晶胞制成的熱等靜壓態(tài)結(jié)構(gòu)增加了流動(dòng)應(yīng)力，并消除了準(zhǔn)靜態(tài)測試期間的突然負(fù)載下降。在動(dòng)態(tài)加載過程中，熱等靜壓帶來的微觀結(jié)構(gòu)變化并未顯著改善相同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)樣品之間的流動(dòng)應(yīng)力。

熱等靜壓過程所帶來的孔隙率降低是將主要坍塌機(jī)制從剪切帶變?yōu)橹饘犹闹饕蛩亍?zhǔn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測試結(jié)果表明熱等靜壓能夠改變晶格結(jié)構(gòu)的機(jī)械響應(yīng)，其通過降低孔隙率和釋放樣品內(nèi)的殘余應(yīng)力來改變微觀結(jié)構(gòu)。由于殘余應(yīng)力的存在，打印態(tài)樣品表現(xiàn)出更高的屈服點(diǎn)，在10%應(yīng)變下強(qiáng)度急劇下降，一直持續(xù)到晶格結(jié)構(gòu)完全致密化。

END

具有晶格結(jié)構(gòu)的GRCop-84可制造具有更高換熱效率的器件，這是由于GRCop-84的高導(dǎo)熱性和表面積增加所致，晶格結(jié)構(gòu)的可控固有空間和表面積使它們非常適合熱交換器等熱應(yīng)用。除此之外，在如今結(jié)構(gòu)、功能一體化設(shè)計(jì)的趨勢下，研究高功能下的結(jié)構(gòu)性能是不可忽視的重要組成部分?？偟膩碚f，這項(xiàng)研究首次看到了采用3D打印制造的GRCop銅合金晶格結(jié)構(gòu)。