在純銅中添加鎳、鉬、釩和鉻等金屬，能夠借助Hall-Petch和Orowan效應提高銅基體的強度。銅鉻鈮GRCop（GrCop-84和GRCop-42）系列是格倫研究中心專門為火箭發(fā)動機的主燃燒室襯里研發(fā)的銅合金，由于高導熱性和導電性，在全球范圍內(nèi)廣泛適用于眾多應用。

此前的報道多集中于采用這兩種合金制造燃燒室，對于GRCop系銅合金晶格的研究則是首次看到。晶格結(jié)構(gòu)的高表面積、高強度重量比和導熱特性使其在各種應用中具有吸引力。由GRCop系合金制成的晶格結(jié)構(gòu)結(jié)合了該合金的高強度和導熱性，同時通過使用晶格結(jié)構(gòu)最大限度減輕了重量并增加了能量吸收，因此具有廣闊的應用空間。而任何新興材料的結(jié)構(gòu)完整性和機械行為都是設計、制造和材料力學領域的重要研究課題。

3D打印技術參考注意到，美國亞利桑那大學和阿拉巴馬大學航空航天與機械工程系的團隊研究了3D打印的GRCop-84銅合金晶格結(jié)構(gòu)的力學行為。該研究分析了微觀結(jié)構(gòu)、拓撲結(jié)構(gòu)之間的相互作用及其對增材制造的銅鉻鈮合金(GRCop-84)晶格結(jié)構(gòu)的準靜態(tài)和動態(tài)行為的綜合影響。測試的四種拓撲結(jié)構(gòu)是相對密度為30%的八角體桁架、相對密度為20%的菱形十二面體和菱形以及相對密度為15%的十二面體，單元晶胞的尺寸分2mm和4mm兩種，使用X射線計算機斷層掃描和光學顯微鏡表征了孔隙率和晶粒結(jié)構(gòu)，對打印態(tài)樣品進行了準靜態(tài)和動態(tài)應變率測試。

晶格孔隙率量化

對晶格結(jié)構(gòu)打印態(tài)和熱等靜壓態(tài)（HIP）分別進行X 射線斷層掃描，并提出了晶格體積分數(shù)、空隙率和孔隙率的概念。晶格體積是指晶格內(nèi)材料的體積，空隙體積是掃描晶格內(nèi)空隙的體積?？障扼w積比是由總晶格體積歸一化的空隙總體積。計算空隙體積比，以量化孔隙率占總晶格體積的百分比?？梢杂^察到，熱等靜壓在降低晶格結(jié)構(gòu)的孔隙率方面是有效的，4mm晶胞尺寸對HIP的響應更大，空隙體積比降低了40%，而2mm晶胞尺寸樣品的空隙體積比僅降低了22%。還觀察到基于樣品的晶胞尺寸的孔隙率變化。具有4mm晶胞的HIP樣品的孔隙率降低了57%，2mm晶胞尺寸的樣品的孔隙率減少了44%。

這意味著，孔隙率受晶胞尺寸和熱處理的影響，2mm晶胞尺寸的樣品不易形成孔隙。對比經(jīng)過熱等靜壓處理的樣品，發(fā)現(xiàn)熱處理可降低孔隙率，而且4mm單元晶格比2mm單元晶格對熱等靜壓熱處理更敏感。

變形機制

剪切帶已被認為是結(jié)晶金屬適應塑性的局部變形機制之一。位錯的集體運動或機械孿生經(jīng)常導致顯微剪切帶發(fā)生。剪切帶也可以在結(jié)構(gòu)層面表現(xiàn)出來。據(jù)報道，結(jié)構(gòu)剪切帶出現(xiàn)在金屬泡沫和晶格結(jié)構(gòu)中。晶格結(jié)構(gòu)中結(jié)構(gòu)剪切帶的出現(xiàn)是通常與負載下降同時發(fā)生，從而導致能量吸收能力的損失。更好地了解觸發(fā)結(jié)構(gòu)剪切帶形成的潛在微觀和宏觀機制，可能會獲得控制它們的必要知識。

3D打印GRCop-84銅合金晶格結(jié)構(gòu)的變形和坍塌機制取決于熱處理和晶格的晶胞尺寸。在GRCop-84銅合金晶格結(jié)構(gòu)的壓縮測試中觀察到兩種主要的變形機制。第一種機制是剪切帶形成，導致結(jié)構(gòu)中的晶胞以45度角塌陷；第二種機制是逐層塌陷直至致密化。在未接受熱等靜壓的4mm晶胞樣品中，剪切帶形成導致的失效成為主要變形機制。

準靜態(tài)和動態(tài)壓縮測試結(jié)果表明，變形趨勢與相對密度無關。無論拓撲結(jié)構(gòu)和晶胞大小如何，打印態(tài)樣品在屈服后突然負載下降與結(jié)構(gòu)剪切帶形成或局部不穩(wěn)定導致層突然坍塌一致。具有4mm晶胞的GRCop-84結(jié)構(gòu)在經(jīng)熱等靜壓后可以在屈服開始時去除剪切帶。由2mm晶胞制成的熱等靜壓態(tài)結(jié)構(gòu)增加了流動應力，并消除了準靜態(tài)測試期間的突然負載下降。在動態(tài)加載過程中，熱等靜壓帶來的微觀結(jié)構(gòu)變化并未顯著改善相同拓撲結(jié)構(gòu)樣品之間的流動應力。

熱等靜壓過程所帶來的孔隙率降低是將主要坍塌機制從剪切帶變?yōu)橹饘犹闹饕蛩亍熟o態(tài)和動態(tài)測試結(jié)果表明熱等靜壓能夠改變晶格結(jié)構(gòu)的機械響應，其通過降低孔隙率和釋放樣品內(nèi)的殘余應力來改變微觀結(jié)構(gòu)。由于殘余應力的存在，打印態(tài)樣品表現(xiàn)出更高的屈服點，在10%應變下強度急劇下降，一直持續(xù)到晶格結(jié)構(gòu)完全致密化。

END

具有晶格結(jié)構(gòu)的GRCop-84可制造具有更高換熱效率的器件，這是由于GRCop-84的高導熱性和表面積增加所致，晶格結(jié)構(gòu)的可控固有空間和表面積使它們非常適合熱交換器等熱應用。除此之外，在如今結(jié)構(gòu)、功能一體化設計的趨勢下，研究高功能下的結(jié)構(gòu)性能是不可忽視的重要組成部分。總的來說，這項研究首次看到了采用3D打印制造的GRCop銅合金晶格結(jié)構(gòu)。