3D打印-增材制造材料及结构用于动态冲击应用

颗粒在线讯：根据市场研究，传统制造在开发在动态冲击情景下具有增强性能的材料和结构方面正在接近其极限。3D打印虽然目前在动态冲击应用这些领域非常有限，但3D打印所代表的增材制造提供了多种解决方案来满足对不断增长的需求。

3D打印在实现多材料、新材料解决方案、结构优化以及高度可定制的内部和外部几何形状方面尤其令人感兴趣。本期将结合《Perspectives on additive manufacturing for dynamic impact applications》来进一步理解3D打印-增材制造材料及结构用于动态冲击应用的材料、工艺与发展方向。

基于增材制造的研究

目前在增材制造领域针对动态冲击应用的三个主要研究方向包括：（i）理解和优化增材制造零件的加工-微观结构-性能关系 (ii) 开发多材料组件；(iii) 几何优化设计以增强动态冲击应用性能的前景。其中，Ti6Al4V 合金是轻型装甲的主要候选材料，也是研究最多的增材制造材料之一。

增材制造缺陷（例如气孔、小孔或未熔合空隙）是增材制造部件的其他主要特征，这些特征对动态特性至关重要。它们的形成取决于工艺参数、构建策略和原料材料的质量。

未融合缺陷和孔隙率在失效中是主要原因，此外，孔隙/缺陷的空间排列在整体动态响应中也很重要，需要最大限度地减少 AM-增材制造缺陷以获得足够的材料抗冲击能力。

而热等静压（HIP）有望在这方面发挥重要作用，热处理后的样品显示出强度增加，延展性略有降低，通过孪晶变形的倾向降低。

目前除了 Ti6Al4V，还有其他金属材料被研究用于AM-增材制造装甲潜力。例如，研究发现3D打印的Ti6.5Al1Mo1V2Zr 合金中 α 相的形态和晶体织构的影响，并将 HSR 延展性的轻微增加和强度的降低与 α 相体积分数的增加和 α- 中孪晶的形成联系起来。

© 3D科学谷白皮书

报道说，与锻造不锈钢相比，AM-增材制造的304L不锈钢在压缩和拉伸方面表现出更高的强度，但在 500-3000 s-1 的应变速率范围内拉伸下的延展性较低。构建方向对性能影响的一些迹象是可见的，但不是决定性的。

▲ 不锈钢材料

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其他合金也被通过增材制造用于潜在的抗冲击应用，有研究探索了AM-增材制造高强度马氏体时效钢的 HSR 和抗冲击性能。研究强调了热处理的主要有害影响，它使强度增加了一倍，但大大降低了母材的延展性。

此外，还有研究探索了另一种常见的AM-增材制造合金 - AlSi10Mg - 作为抗冲击装甲候选者的潜力。该研究指出，AM AlSi10Mg 可能会由于熔池边界中的硅偏析而产生脆性，并且可能需要探索相应的后处理，以确保动态性能不会受到不利影响。

AM-增材制造陶瓷在抗冲击应用方面也受到关注。例如，与传统生产（烧结）的对应物相比，AM-增材制造的氧化铝表现出相似的微观结构和机械性能，尽管孔隙率和硬度变化很小，但两种条件的保护能力大致相当。还应注意，氧化铝的铜掺杂导致失效机制发生巨大变化，需要小心维护陶瓷铠装的化学成分，对于陶瓷增材制造来说，精确控制制造过程是十分重要的。

通过多材料增材制造 (MMAM) 实现的多材料能力和空间自由度的结合，为探索 抗冲击应用提供了强大的工具。然而，迄今为止，该领域的进展是温和的。例如，部分通过3D打印技术构建的混合 Ti6Al4V 陶瓷结构的 ME 高达 2.0。其他的混合材料包括(i) M300 马氏体时效钢/316L 不锈钢；(ii) 420不锈钢/A356铝合金；(iii) 17–4 PH 钢/A356 铝合金；(iv) Tethonite 陶瓷/A356 铝合金。第一种配置是通过直接能量沉积 (DED) 3D打印技术生产的，而后三种通过增材制造和铸造的组合来生产具有基于螺旋体几何形状的材料。

M300/316L 材料显示出良好的抗穿透性，但仍不及市售 AR400 钢板的弹道性能，部分原因可能是由于许多制造缺陷和形成的富 (Ti, Al) 金属间化合物结构体。

基于 Gyroid 螺旋结构及其他轻量化结构的混合材料也提供了令人印象深刻的结果，不过作为制造过程的副作用，材料之间缺乏连续的界面是很明显的，实际上导致结构高度多孔并且容易过早失效。需要对材料间界面和制造过程进行更精确的控制，以实现 MMAM 在该领域的潜力。

总体而言，尽管取得了一些显着的有希望的结果，但关于增材制造用于抗冲击和弹道装甲的公开研究数量相当有限。限制似乎是由于几个因素造成的，包括增材制造方法的相对新颖性、对增材制造材料中的加工-微观结构-性能关系缺乏正确和深入的理解，以及此类研究通常具有专有和机密性质。尽管如此，该领域的未来研究方向还是很明显的。

未来研究方向

l 单一材料

鉴于钛合金在未来轻型装甲应用以及增材制造相关研究中的主导地位，大部分增材制造防弹保护研究可能都集中在这种材料系统上。如前所述，结构和机械性能的各向异性似乎是与这些增材制造材料的机械和弹道性能的预测和评估相关的主要问题之一。

最近，研究表明，AM-增材制造的各向异性可以通过促进柱状等轴转变 (CET) 部分或完全减轻，例如，通过原位超声处理。另一种方法是设计一种全新的AM-增材制造合金，在凝固过程中热力学促进 CET 并降低结构各向异性。

仍需要大量的研究工作来清楚地了解与AM-增材制造钛合金的微观结构特征相关的潜在现象（特别是晶粒尺寸、相组成和形态、结晶和制造缺陷、变形机制、结晶织构、孔隙率等）对它们在 HSR 负载下的性能的影响。

铝合金，例如 6xxx 和 7xxx 系列（传统铝装甲候选），目前在 AM-增材制造加工过程中面临挑战。具体而言，AM-增材制造过程中的高冷却速率与沿熔池边界的收缩和热应力的积累有关，这会导致微裂纹和较差的机械性能 。在这些问题得到缓解之前，这种合金不太可能成为增材制造弹道装甲的合适候选者。

孪晶和相变诱导塑性（TWIP 和 TRIP）钢一直是 AM-增材制造加工弹道装甲研究的重点。由于这些钢具有高延展性和应变硬化的独特组合，因此它们可能对能量吸收应用（包括防弹保护）具有一定的应用潜力。应该注意的是，仅靠高硬度不足以确保高弹道性能，因为它会导致过度开裂 。然而，目前的研究结果表明，AM-增材制造钢可以实现所需的高硬度，但需要更准确地评估此类材料的 HSR 行为和弹道性能，以扩大这项研究。

此外，陶瓷增材制造研究正朝着高性能机械超材料的设计和制造方向发展。

l 功能梯度材料

与单一材料对应物相比，一些常规生产的 FGM-功能梯度材料表现出增强的防弹保护，迄今为止已经研究了 MMAM 的许多成分梯度，包括金属-金属和金属-陶瓷配置。大部分 MMAM-多材料增材制造工艺的研究主要涉及直接能量沉积 (DED) 方法，然而，LPBF激光熔融3D打印加工多材料能力的最新进展有望在不久的将来改变 MMAM-多材料增材制造的研究。

l 多孔结构和几何复杂的结构

多孔结构装甲会导致弹丸失效，从而提高弹道防护能力。AM-增材制造方法不仅可以直接制造这种结构，而且还可以探索弹道装甲外部和内部几何形状的广阔设计空间。

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对于纯粹的基于多孔结构的装甲设计，可以优化几何参数，例如多孔结构的形状、尺寸、倾斜度或排列，以获得更好的性能。

来源：3D科学谷