傳統(tǒng)制造在開(kāi)發(fā)在動(dòng)態(tài)沖擊情景下具有增強(qiáng)性能的材料和結(jié)構(gòu)方面正在接近其極限。3D打印雖然目前在動(dòng)態(tài)沖擊應(yīng)用這些領(lǐng)域非常有限，但3D打印所代表的增材制造提供了多種解決方案來(lái)滿(mǎn)足對(duì)不斷增長(zhǎng)的需求。

3D打印在實(shí)現(xiàn)多材料、新材料解決方案、結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及高度可定制的內(nèi)部和外部幾何形狀方面尤其令人感興趣。繼上篇《前景 l 3D打印-增材制造材料及結(jié)構(gòu)用于動(dòng)態(tài)沖擊應(yīng)用》，本期谷.專(zhuān)欄，將結(jié)合《Perspectives on additive manufacturing for dynamic impact applications》來(lái)進(jìn)一步理解3D打印-增材制造材料及結(jié)構(gòu)用于動(dòng)態(tài)沖擊應(yīng)用的材料、工藝與發(fā)展方向。

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0264127522005858

 基于增材制造的研究

    目前在增材制造領(lǐng)域針對(duì)動(dòng)態(tài)沖擊應(yīng)用的三個(gè)主要研究方向包括：（i）理解和優(yōu)化增材制造零件的加工-微觀(guān)結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系 (ii) 開(kāi)發(fā)多材料組件；(iii) 幾何優(yōu)化設(shè)計(jì)以增強(qiáng)動(dòng)態(tài)沖擊應(yīng)用性能的前景。其中，Ti6Al4V 合金是輕型裝甲的主要候選材料，也是研究最多的增材制造材料之一。

增材制造缺陷（例如氣孔、小孔或未熔合空隙）是增材制造部件的其他主要特征，這些特征對(duì)動(dòng)態(tài)特性至關(guān)重要。它們的形成取決于工藝參數(shù)、構(gòu)建策略和原料材料的質(zhì)量。

未融合缺陷和孔隙率在失效中是主要原因，此外，孔隙/缺陷的空間排列在整體動(dòng)態(tài)響應(yīng)中也很重要，需要最大限度地減少 AM-增材制造缺陷以獲得足夠的材料抗沖擊能力。

而熱等靜壓（HIP）有望在這方面發(fā)揮重要作用，熱處理后的樣品顯示出強(qiáng)度增加，延展性略有降低，通過(guò)孿晶變形的傾向降低。

目前除了 Ti6Al4V，還有其他金屬材料被研究用于AM-增材制造裝甲潛力。例如，研究發(fā)現(xiàn)3D打印的Ti6.5Al1Mo1V2Zr 合金中 α 相的形態(tài)和晶體織構(gòu)的影響，并將 HSR 延展性的輕微增加和強(qiáng)度的降低與 α 相體積分?jǐn)?shù)的增加和 α- 中孿晶的形成聯(lián)系起來(lái)。

© 3D科學(xué)谷白皮書(shū)

報(bào)道說(shuō)，與鍛造不銹鋼相比，AM-增材制造的304L不銹鋼在壓縮和拉伸方面表現(xiàn)出更高的強(qiáng)度，但在 500-3000 s-1 的應(yīng)變速率范圍內(nèi)拉伸下的延展性較低。構(gòu)建方向?qū)π阅苡绊懙囊恍┷E象是可見(jiàn)的，但不是決定性的。

不銹鋼材料

     其他合金也被通過(guò)增材制造用于潛在的抗沖擊應(yīng)用，有研究探索了AM-增材制造高強(qiáng)度馬氏體時(shí)效鋼的 HSR 和抗沖擊性能。研究強(qiáng)調(diào)了熱處理的主要有害影響，它使強(qiáng)度增加了一倍，但大大降低了母材的延展性。

此外，還有研究探索了另一種常見(jiàn)的AM-增材制造合金 – AlSi10Mg – 作為抗沖擊裝甲候選者的潛力。該研究指出，AM AlSi10Mg 可能會(huì)由于熔池邊界中的硅偏析而產(chǎn)生脆性，并且可能需要探索相應(yīng)的后處理，以確保動(dòng)態(tài)性能不會(huì)受到不利影響。

      AM-增材制造陶瓷在抗沖擊應(yīng)用方面也受到關(guān)注。例如，與傳統(tǒng)生產(chǎn)（燒結(jié)）的對(duì)應(yīng)物相比，AM-增材制造的氧化鋁表現(xiàn)出相似的微觀(guān)結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能，盡管孔隙率和硬度變化很小，但兩種條件的保護(hù)能力大致相當(dāng)。還應(yīng)注意，氧化鋁的銅摻雜導(dǎo)致失效機(jī)制發(fā)生巨大變化，需要小心維護(hù)陶瓷鎧裝的化學(xué)成分，對(duì)于陶瓷增材制造來(lái)說(shuō)，精確控制制造過(guò)程是十分重要的。

      通過(guò)多材料增材制造 (MMAM) 實(shí)現(xiàn)的多材料能力和空間自由度的結(jié)合，為探索 抗沖擊應(yīng)用提供了強(qiáng)大的工具。然而，迄今為止，該領(lǐng)域的進(jìn)展是溫和的。例如，部分通過(guò)3D打印技術(shù)構(gòu)建的混合 Ti6Al4V 陶瓷結(jié)構(gòu)的 ME 高達(dá) 2.0。其他的混合材料包括(i) M300 馬氏體時(shí)效鋼/316L 不銹鋼；(ii) 420不銹鋼/A356鋁合金；(iii) 17–4 PH 鋼/A356 鋁合金；(iv) Tethonite 陶瓷/A356 鋁合金。第一種配置是通過(guò)直接能量沉積 (DED) 3D打印技術(shù)生產(chǎn)的，而后三種通過(guò)增材制造和鑄造的組合來(lái)生產(chǎn)具有基于螺旋體幾何形狀的材料。

      M300/316L 材料顯示出良好的抗穿透性，但仍不及市售 AR400 鋼板的彈道性能，部分原因可能是由于許多制造缺陷和形成的富 (Ti, Al) 金屬間化合物結(jié)構(gòu)體。

基于 Gyroid 螺旋結(jié)構(gòu)及其他輕量化結(jié)構(gòu)的混合材料也提供了令人印象深刻的結(jié)果，不過(guò)作為制造過(guò)程的副作用，材料之間缺乏連續(xù)的界面是很明顯的，實(shí)際上導(dǎo)致結(jié)構(gòu)高度多孔并且容易過(guò)早失效。需要對(duì)材料間界面和制造過(guò)程進(jìn)行更精確的控制，以實(shí)現(xiàn) MMAM 在該領(lǐng)域的潛力。

總體而言，盡管取得了一些顯著的有希望的結(jié)果，但關(guān)于增材制造用于抗沖擊和彈道裝甲的公開(kāi)研究數(shù)量相當(dāng)有限。限制似乎是由于幾個(gè)因素造成的，包括增材制造方法的相對(duì)新穎性、對(duì)增材制造材料中的加工-微觀(guān)結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系缺乏正確和深入的理解，以及此類(lèi)研究通常具有專(zhuān)有和機(jī)密性質(zhì)。盡管如此，該領(lǐng)域的未來(lái)研究方向還是很明顯的。

 未來(lái)研究方向

l 單一材料

鑒于鈦合金在未來(lái)輕型裝甲應(yīng)用以及增材制造相關(guān)研究中的主導(dǎo)地位，大部分增材制造防彈保護(hù)研究可能都集中在這種材料系統(tǒng)上。如前所述，結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能的各向異性似乎是與這些增材制造材料的機(jī)械和彈道性能的預(yù)測(cè)和評(píng)估相關(guān)的主要問(wèn)題之一。

最近，研究表明，AM-增材制造的各向異性可以通過(guò)促進(jìn)柱狀等軸轉(zhuǎn)變 (CET) 部分或完全減輕，例如，通過(guò)原位超聲處理。另一種方法是設(shè)計(jì)一種全新的AM-增材制造合金，在凝固過(guò)程中熱力學(xué)促進(jìn) CET 并降低結(jié)構(gòu)各向異性。

仍需要大量的研究工作來(lái)清楚地了解與AM-增材制造鈦合金的微觀(guān)結(jié)構(gòu)特征相關(guān)的潛在現(xiàn)象（特別是晶粒尺寸、相組成和形態(tài)、結(jié)晶和制造缺陷、變形機(jī)制、結(jié)晶織構(gòu)、孔隙率等）對(duì)它們?cè)?HSR 負(fù)載下的性能的影響。

鋁合金，例如 6xxx 和 7xxx 系列（傳統(tǒng)鋁裝甲候選），目前在 AM-增材制造加工過(guò)程中面臨挑戰(zhàn)。具體而言，AM-增材制造過(guò)程中的高冷卻速率與沿熔池邊界的收縮和熱應(yīng)力的積累有關(guān)，這會(huì)導(dǎo)致微裂紋和較差的機(jī)械性能 。在這些問(wèn)題得到緩解之前，這種合金不太可能成為增材制造彈道裝甲的合適候選者。

孿晶和相變誘導(dǎo)塑性（TWIP 和 TRIP）鋼一直是 AM-增材制造加工彈道裝甲研究的重點(diǎn)。由于這些鋼具有高延展性和應(yīng)變硬化的獨(dú)特組合，因此它們可能對(duì)能量吸收應(yīng)用（包括防彈保護(hù)）具有一定的應(yīng)用潛力。應(yīng)該注意的是，僅靠高硬度不足以確保高彈道性能，因?yàn)樗鼤?huì)導(dǎo)致過(guò)度開(kāi)裂 。然而，目前的研究結(jié)果表明，AM-增材制造鋼可以實(shí)現(xiàn)所需的高硬度，但需要更準(zhǔn)確地評(píng)估此類(lèi)材料的 HSR 行為和彈道性能，以擴(kuò)大這項(xiàng)研究。

此外，陶瓷增材制造研究正朝著高性能機(jī)械超材料的設(shè)計(jì)和制造方向發(fā)展。

l  功能梯度材料

與單一材料對(duì)應(yīng)物相比，一些常規(guī)生產(chǎn)的 FGM-功能梯度材料表現(xiàn)出增強(qiáng)的防彈保護(hù)，迄今為止已經(jīng)研究了 MMAM 的許多成分梯度，包括金屬-金屬和金屬-陶瓷配置。大部分 MMAM-多材料增材制造工藝的研究主要涉及直接能量沉積 (DED) 方法，然而，LPBF激光熔融3D打印加工多材料能力的最新進(jìn)展有望在不久的將來(lái)改變 MMAM-多材料增材制造的研究。

l 多孔結(jié)構(gòu)和幾何復(fù)雜的結(jié)構(gòu)

多孔結(jié)構(gòu)裝甲會(huì)導(dǎo)致彈丸失效，從而提高彈道防護(hù)能力。AM-增材制造方法不僅可以直接制造這種結(jié)構(gòu)，而且還可以探索彈道裝甲外部和內(nèi)部幾何形狀的廣闊設(shè)計(jì)空間。

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對(duì)于純粹的基于多孔結(jié)構(gòu)的裝甲設(shè)計(jì)，可以?xún)?yōu)化幾何參數(shù)，例如多孔結(jié)構(gòu)的形狀、尺寸、傾斜度或排列，以獲得更好的性能。

(責(zé)任編輯：admin)

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