结构、功能一体：增材制造GRCop-84铜合金晶格结构的力学行为

在纯铜中添加镍、钼、钒和铬等金属，能够借助Hall-Petch和Orowan效应提高铜基体的强度。铜铬铌GRCop（GrCop-84和GRCop-42）系列是格伦研究中心专门为火箭发动机的主燃烧室衬里研发的铜合金，由于高导热性和导电性，在全球范围内广泛适用于众多应用。

此前的报道多集中于采用这两种合金制造燃烧室，对于GRCop系铜合金晶格的研究则是首次看到。晶格结构的高表面积、高强度重量比和导热特性使其在各种应用中具有吸引力。由GRCop系合金制成的晶格结构结合了该合金的高强度和导热性，同时通过使用晶格结构最大限度减轻了重量并增加了能量吸收，因此具有广阔的应用空间。而任何新兴材料的结构完整性和机械行为都是设计、制造和材料力学领域的重要研究课题。

3D打印技术参考注意到，美国亚利桑那大学和阿拉巴马大学航空航天与机械工程系的团队研究了3D打印的GRCop-84铜合金晶格结构的力学行为。该研究分析了微观结构、拓扑结构之间的相互作用及其对增材制造的铜铬铌合金(GRCop-84)晶格结构的准静态和动态行为的综合影响。测试的四种拓扑结构是相对密度为30%的八角体桁架、相对密度为20%的菱形十二面体和菱形以及相对密度为15%的十二面体，单元晶胞的尺寸分2mm和4mm两种，使用X射线计算机断层扫描和光学显微镜表征了孔隙率和晶粒结构，对打印态样品进行了准静态和动态应变率测试。

晶格孔隙率量化

对晶格结构打印态和热等静压态（HIP）分别进行X 射线断层扫描，并提出了晶格体积分数、空隙率和孔隙率的概念。晶格体积是指晶格内材料的体积，空隙体积是扫描晶格内空隙的体积。空隙体积比是由总晶格体积归一化的空隙总体积。计算空隙体积比，以量化孔隙率占总晶格体积的百分比。可以观察到，热等静压在降低晶格结构的孔隙率方面是有效的，4mm晶胞尺寸对HIP的响应更大，空隙体积比降低了40%，而2mm晶胞尺寸样品的空隙体积比仅降低了22%。还观察到基于样品的晶胞尺寸的孔隙率变化。具有4mm晶胞的HIP样品的孔隙率降低了57%，2mm晶胞尺寸的样品的孔隙率减少了44%。

本研究中使用的拓扑单元及其尺寸

ct检测孔隙度图

热等静压前后的孔隙率变化

这意味着，孔隙率受晶胞尺寸和热处理的影响，2mm晶胞尺寸的样品不易形成孔隙。对比经过热等静压处理的样品，发现热处理可降低孔隙率，而且4mm单元晶格比2mm单元晶格对热等静压热处理更敏感。

变形机制

剪切带已被认为是结晶金属适应塑性的局部变形机制之一。位错的集体运动或机械孪生经常导致显微剪切带发生。剪切带也可以在结构层面表现出来。据报道，结构剪切带出现在金属泡沫和晶格结构中。晶格结构中结构剪切带的出现是通常与负载下降同时发生，从而导致能量吸收能力的损失。更好地了解触发结构剪切带形成的潜在微观和宏观机制，可能会获得控制它们的必要知识。

3D打印GRCop-84铜合金晶格结构的变形和坍塌机制取决于热处理和晶格的晶胞尺寸。在GRCop-84铜合金晶格结构的压缩测试中观察到两种主要的变形机制。第一种机制是剪切带形成，导致结构中的晶胞以45度角塌陷；第二种机制是逐层塌陷直至致密化。在未接受热等静压的4mm晶胞样品中，剪切带形成导致的失效成为主要变形机制。

准静态加载方向和相机位置

剪切带形成引起的变形

变形的三个阶段，从节点处的应变局部化开始，到致密化结束

不同晶胞尺寸的晶格结构崩溃比较

准静态和动态压缩测试结果表明，变形趋势与相对密度无关。无论拓扑结构和晶胞大小如何，打印态样品在屈服后突然负载下降与结构剪切带形成或局部不稳定导致层突然坍塌一致。具有4mm晶胞的GRCop-84结构在经热等静压后可以在屈服开始时去除剪切带。由2mm晶胞制成的热等静压态结构增加了流动应力，并消除了准静态测试期间的突然负载下降。在动态加载过程中，热等静压带来的微观结构变化并未显著改善相同拓扑结构样品之间的流动应力。

热等静压过程所带来的孔隙率降低是将主要坍塌机制从剪切带变为逐层坍塌的主要因素。准静态和动态测试结果表明热等静压能够改变晶格结构的机械响应，其通过降低孔隙率和释放样品内的残余应力来改变微观结构。由于残余应力的存在，打印态样品表现出更高的屈服点，在10%应变下强度急剧下降，一直持续到晶格结构完全致密化。

具有晶格结构的GRCop-84可制造具有更高换热效率的器件，这是由于GRCop-84的高导热性和表面积增加所致，晶格结构的可控固有空间和表面积使它们非常适合热交换器等热应用。除此之外，在如今结构、功能一体化设计的趋势下，研究高功能下的结构性能是不可忽视的重要组成部分。总的来说，这项研究首次看到了采用3D打印制造的GRCop铜合金晶格结构。

论文参考：https://doi.org/10.1016/j.addma.2022.102928

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