供稿人：張菁華 李滌塵 供稿單位：機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 發(fā)布日期：2021-03-01
基于逐層熔化的金屬增材制造技術(shù)由于高溫加工的影響，存在著殘余應(yīng)力大，零件變形等缺陷，這些缺陷通常會(huì)導(dǎo)致較差的機(jī)械性能。
冷噴技術(shù)是一種用于解決與金屬高溫加工相關(guān)問題的技術(shù)，康奈爾大學(xué)的的研究人員提出了一種將冷噴技術(shù)應(yīng)用在多孔結(jié)構(gòu)制造中的打印方法，這種方法利用粉末顆粒的動(dòng)能形成固態(tài)鍵合，克服了金屬高溫加工存在的缺陷，且具有更高的機(jī)械強(qiáng)度。
圖1 不同打印條件制備的多孔結(jié)構(gòu)
研究人員將粒徑為45微米至106微米的鈦合金粉末以600m/s的速度噴射，利用高應(yīng)變速率動(dòng)態(tài)加載導(dǎo)致的塑性變形和軟化，在800℃和900℃溫度下進(jìn)行3D打印，該溫度低于鈦的熔點(diǎn)1626℃。通過調(diào)整噴嘴的橫向移動(dòng)速度，可以控制孔隙率分布，在一定的加工條件下，研究人員得到了機(jī)械強(qiáng)度高、孔隙率可控的多孔結(jié)構(gòu)，該多孔結(jié)構(gòu)模量為51.7±3.2GPa，壓縮屈服強(qiáng)度為535±35MPa，孔隙率為30±2%。這種方法制造的結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)打印技術(shù)制造的結(jié)構(gòu)相比，壓縮屈服強(qiáng)度高出42%，具有更高的機(jī)械性能。
圖2 制備的鈦多孔結(jié)構(gòu)的細(xì)胞實(shí)驗(yàn)
細(xì)胞實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明，制造的多孔結(jié)構(gòu)具有良好的生物相容性，這證明了這種方法可應(yīng)用在制備生物醫(yī)學(xué)植入物。除了生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用外，由于該方法可生產(chǎn)比傳統(tǒng)打印技術(shù)更高強(qiáng)度的多孔金屬零件，有望應(yīng)用在建筑、交通和能源等領(lǐng)域。