材料、工藝、發展方向：3D打印-增材制造材料及結構用于動態沖擊應用（二）
傳統制造在開發在動態沖擊情景下具有增強性能的材料和結構方面正在接近其極限。3D打印雖然目前在動態沖擊應用這些領域非常有限，但3D打印所代表的增材制造提供了多種解決方案來滿足對不斷增長的需求。
3D打印在實現多材料、新材料解決方案、結構優化以及高度可定制的內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-增材制造材料及結構用于動態沖擊應用》，本期谷.專欄，將結合《Perspectives on additive manufacturing for dynamic impact applications》來進一步理解3D打印-增材制造材料及結構用于動態沖擊應用的材料、工藝與發展方向。
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0264127522005858
基于增材制造的研究
目前在增材制造領域針對動態沖擊應用的三個主要研究方向包括：（i）理解和優化增材制造零件的加工-微觀結構-性能關系 (ii) 開發多材料組件；(iii) 幾何優化設計以增強動態沖擊應用性能的前景。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，這些特征對動態特性至關重要。它們的形成取決于工藝參數、構建策略和原料材料的質量。
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態響應中也很重要，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）有望在這方面發揮重要作用，熱處理后的樣品顯示出強度增加，延展性略有降低，通過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，研究發現3D打印的Ti6.5Al1Mo1V2Zr 合金中 α 相的形態和晶體織構的影響，并將 HSR 延展性的輕微增加和強度的降低與 α 相體積分數的增加和 α- 中孿晶的形成聯系起來。
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報道說，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出更高的強度，但在 500-3000 s-1 的應變速率范圍內拉伸下的延展性較低。構建方向對性能影響的一些跡象是可見的，但不是決定性的。
不銹鋼材料
其他合金也被通過增材制造用于潛在的抗沖擊應用，有研究探索了AM-增材制造高強度馬氏體時效鋼的 HSR 和抗沖擊性能。研究強調了熱處理的主要有害影響，它使強度增加了一倍，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 可能會由于熔池邊界中的硅偏析而產生脆性，并且可能需要探索相應的后處理，以確保動態性能不會受到不利影響。
AM-增材制造陶瓷在抗沖擊應用方面也受到關注。例如，與傳統生產（燒結）的對應物相比，AM-增材制造的氧化鋁表現出相似的微觀結構和機械性能，盡管孔隙率和硬度變化很小，但兩種條件的保護能力大致相當。還應注意，氧化鋁的銅摻雜導致失效機制發生巨大變化，需要小心維護陶瓷鎧裝的化學成分，對于陶瓷增材制造來說，精確控制制造過程是十分重要的。
通過多材料增材制造 (MMAM) 實現的多材料能力和空間自由度的結合，為探索 抗沖擊應用提供了強大的工具。然而，迄今為止，該領域的進展是溫和的。例如，部分通過3D打印技術構建的混合 Ti6Al4V 陶瓷結構的 ME 高達 2.0。其他的混合材料包括(i) M300 馬氏體時效鋼/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。第一種配置是通過直接能量沉積 (DED) 3D打印技術生產的，而后三種通過增材制造和鑄造的組合來生產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) 金屬間化合物結構體。
基于 Gyroid 螺旋結構及其他輕量化結構的混合材料也提供了令人印象深刻的結果，不過作為制造過程的副作用，材料之間缺乏連續的界面是很明顯的，實際上導致結構高度多孔并且容易過早失效。需要對材料間界面和制造過程進行更精確的控制，以實現 MMAM 在該領域的潛力。
總體而言，盡管取得了一些顯著的有希望的結果，但關于增材制造用于抗沖擊和彈道裝甲的公開研究數量相當有限。限制似乎是由于幾個因素造成的，包括增材制造方法的相對新穎性、對增材制造材料中的加工-微觀結構-性能關系缺乏正確和深入的理解，以及此類研究通常具有專有和機密性質。盡管如此，該領域的未來研究方向還是很明顯的。
未來研究方向
l 單一材料
鑒于鈦合金在未來輕型裝甲應用以及增材制造相關研究中的主導地位，大部分增材制造防彈保護研究可能都集中在這種材料系統上。如前所述，結構和機械性能的各向異性似乎是與這些增材制造材料的機械和彈道性能的預測和評估相關的主要問題之一。
最近，研究表明，AM-增材制造的各向異性可以通過促進柱狀等軸轉變 (CET) 部分或完全減輕，例如，通過原位超聲處理。另一種方法是設計一種全新的AM-增材制造合金，在凝固過程中熱力學促進 CET 并降低結構各向異性。
仍需要大量的研究工作來清楚地了解與AM-增材制造鈦合金的微觀結構特征相關的潛在現象（特別是晶粒尺寸、相組成和形態、結晶和制造缺陷、變形機制、結晶織構、孔隙率等）對它們在 HSR 負載下的性能的影響。
鋁合金，例如 6xxx 和 7xxx 系列（傳統鋁裝甲候選），目前在 AM-增材制造加工過程中面臨挑戰。具體而言，AM-增材制造過程中的高冷卻速率與沿熔池邊界的收縮和熱應力的積累有關，這會導致微裂紋和較差的機械性能 。在這些問題得到緩解之前，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。由于這些鋼具有高延展性和應變硬化的獨特組合，因此它們可能對能量吸收應用（包括防彈保護）具有一定的應用潛力。應該注意的是，僅靠高硬度不足以確保高彈道性能，因為它會導致過度開裂 。然而，目前的研究結果表明，AM-增材制造鋼可以實現所需的高硬度，但需要更準確地評估此類材料的 HSR 行為和彈道性能，以擴大這項研究。
此外，陶瓷增材制造研究正朝著高性能機械超材料的設計和制造方向發展。
l 功能梯度材料
與單一材料對應物相比，一些常規生產的 FGM-功能梯度材料表現出增強的防彈保護，迄今為止已經研究了 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展有望在不久的將來改變 MMAM-多材料增材制造的研究。
l 多孔結構和幾何復雜的結構
多孔結構裝甲會導致彈丸失效，從而提高彈道防護能力。AM-增材制造方法不僅可以直接制造這種結構，而且還可以探索彈道裝甲外部和內部幾何形狀的廣闊設計空間。
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對于純粹的基于多孔結構的裝甲設計，可以優化幾何參數，例如多孔結構的形狀、尺寸、傾斜度或排列，以獲得更好的性能。
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