南航顾冬冬教授封面丨激光增材制造仿生夹层结构的压缩行为及热传导性能研究_ACT_Additive_Inspire

南航顾冬冬教授封面丨激光增材制造仿生夹层结构的压缩行为及热传导性能研究

1 研究背景及目的

以马尾草茎干结构为仿生对象，设计了承载-导热多功能仿生多层级夹层结构，并利用激光粉末床熔融技术成形了相应的TC4钛合金仿生多层级夹层构件，研究了仿生单元内管直径对仿生夹层构件的激光粉末床熔融成形性、压缩性能及热传导性能的映射关系及影响机制。

2 论文亮点

1. 以马尾草茎干的多层级结构为灵感，设计了高承载-强导热多功能夹层结构；

2. 以TC4钛合金粉末为原材料，利用激光粉末床熔融工艺成形了无缺陷的钛合金仿生夹层构件；

3. 结合对成形构件的性能试验及有限元模拟仿真，分析了仿生单元内管直径对仿生夹层构件的压缩行为及热传导行为的影响机制。

3 试验方法

仿生结构设计：以不同品种马尾草的茎干截面结构为仿生对象，设计了三种不同内管直径（1.4 mm、1.9 mm、2.4 mm）的多层级仿生空心管夹层结构，并以无内管的传统空心管夹层结构为对照组。

激光增材制造成形：以等离子雾化TC4钛合金粉末为原材料，利用激光粉末床熔融技术，以相同的工艺参数成形了4类钛合金夹层构件。

力学及热学性能测试：利用单向压缩试验表征不同钛合金夹层构件的压缩性能，利用平板热流法测定不同钛合金夹层构件的热导率。

Fig. 1. Design of bioinspired sandwich structures: (a1, a2) Water Paspalum; (b1, b2) Marsh Horsetail; (c1, c2) Wood Horsetail; (d1, d2) Shore Horsetail [40]; (e) Conventional tube sandwich structure; (f-h) Bioinspired sandwich structures with different diameter of tube; (i) Wall dimensions of conventional tube sandwich structure; (j) Wall dimensions of bioinspired sandwich structures

Fig 3

Fig 4

Fig 5

Fig 6

4 结果

1. 仿生仿生多层级结构的引入影响了构件的激光粉末床熔融成形性：随内管直径的增加，内外管的间距减小，管壁的粘粉容易导致通道的堵塞，影响结构成形质量。

2. 仿生多层级结构的引入有效提高了空心管夹层结构的抗压缩性能：随内管直径的增加，仿生构件的比能量吸收呈现先增后减的趋势；当内管直径为1.9 mm时，比能量吸收达到最大值3.3 J/g，相比无内管的传统空心管夹层结构提高了32%。

3. 仿生多层级结构的引入有效提高了空心管夹层结构的热传导性能：随着内管直径的增加，热导率逐渐降低，内管直径为1.4 mm时，热导率达到最大值2.786 W/(m·K)，相比无内管的传统空心管夹层结构提高了15.7%。

Fig. 2. LPBF processed bioinspired sandwich structure and corresponding surface morphology: (a) D0, (b) D1.4, (c) D1.9, (d) D2.4.

5 结论

1. 仿马尾草茎干多层级夹层结构能够有效提高空心管的承载能力、改善压缩工况下的应力集中，实现了压缩强度及压缩位移量的协同提升，从而大幅提高了夹层结构的比能量吸收；

2. 仿马尾草茎干多层级夹层结构的引入增加了热量传输的通道，改善了夹层结构的热导率；随内管直径的增加，热传导路径延长，从而导致了热导率的下降；

3. 通过调整仿生单元内管直径，能够实现仿马尾草茎干多层级夹层结构承载能力及导热能力的协同提升。

6 前景与应用

本文设计的仿马尾草茎干的多层级夹层结构可应用于对承载性能及导热性能均有要求的服役工况。如雷达等大功率部件、及芯片等大发热量器件的承载支架等。

来源：增材制造硕博联盟

哈工大&中科院顶刊丨激光能量输入对激光粉末床熔融CuSn10合金粉末动力学与熔池特性的影响机制

激光粉末床熔化（LPBF）过程中，由于CuSn10合金的低激光吸收率和高热导率，制造高质量冶金部件仍具挑战性。哈尔滨工业大学、中国科学院重庆绿色智能技术研究院等单位的科研人员通过多维度原位观察，结合高速红外热成像技术，深入研究了不同激光能量输入对CuSn10合金LPBF过程中粉末动力学和熔池特性的影响。研究背景LPBF技术能够一步成型复杂部件，显著缩短生产周期，为结构创新设计提供新思路。然而，在LPBF过程中，粉末的动态运动（如粉末夹带和飞溅）可能影响部件的尺寸精度、表面粗糙度，并增加孔隙率，从而降低部件的疲劳强度、耐腐蚀性和屈服强度。因此，深入理解激光与物质相互作用的物理机制，对于减少缺陷形成至关重要。实验方法本研究使用自主研发的LPBF设备，结合高速相机和红外热像仪，对CuSn10合金LPBF过程中的粉末动力学和熔池特性进行了多维度原位观察。实验采用不同激光能量密度（LED），通过高速相机捕捉粉末床顶部和侧面的粉末动态行为，红外热像仪则用于测量熔池的表面温度分布。CuSn10合金LPBF中多维原位观测的同步高速和热成像示意图。激光与物质相互作用高速相机捕捉到的图像显示，随着激光束的扫描，熔池迅速形成，并伴随着粉末的夹带和飞溅。激光诱导的蒸汽射流和向内环境气流是粉末夹带的主要机制，它们共同促进了熔池的增长和连续熔道的形成。粉末夹带与熔池特性随着LED的增加，激光诱导的蒸汽射流和向内环境气流的效应增强，导致更多的粉末被夹带进入熔池，熔池尺寸也随之增大。熔池的形态对熔道的形成有显著影响：当熔池长宽比接近1时，熔池呈近圆形，易形成球化缺陷；当长宽比大于1.5时，熔池拉长，有利于熔道之间的润湿和连续熔道的形成。飞溅特征研究识别了三种类型的飞溅行为：冷粉末飞溅、热粉末飞溅和液滴飞溅。冷粉末飞溅由激光诱导的蒸汽射流从熔道周围的裸露区（无粉末区）喷出；热粉末飞溅则在激光与物质相互作用区域熔化后喷出；液滴飞溅则由熔池表面的蒸汽凹陷边缘的液体克服表面张力后形成。LED对飞溅特征有显著影响：在熔池不稳定状态下，飞溅方向向后，飞溅量大；在稳定状态下，飞溅方向向前，飞溅量减少。LED为460 J/m、粉末层厚度为30μm的CuSn10合金粉末床在LPBF过程中粉末动力学和熔池演变的时间序列快照。（a）LPBF不同阶段熔池的演变。（b）粉末夹带（黄色虚线）和剥蚀区的形成（蓝色虚线）。（c）冷粉末飞溅（绿色圆圈）。（d）热粉末飞溅（橙色圆圈）。（e）液滴飞溅（粉红色虚线圆圈）。不同LED下CuSn10合金LPBF过程中粉末夹带的俯视图（从第一列到第三列）的高速成像（激光扫描方向从左到右）和熔池温度分布的热成像（第四列）：（a）205 J/m（不稳定状态），（b）270 J/m（失稳状态）。不同LED的CuSn10合金LPBF过程中飞溅物喷射的侧视高速成像（激光扫描方向从左到右）：（a）205 J/m，（b）270 J/m。结论本研究通过多维度原位观察，揭示了CuSn10合金LPBF过程中粉末动力学和熔池特性的复杂相互作用。主要结论包括：激光诱导的蒸汽射流和向内环境气流是粉末夹带和熔池增长的关键机制。熔池的形态显著影响熔道的形成，长宽比大于1.5的拉长熔池有利于连续熔道的形成。飞溅行为受熔池稳定性影响，稳定状态下飞溅方向向前，飞溅量减少。本研究为深入理解LPBF过程中的激光与物质相互作用提供了重要见解，对于优化工艺参数、提高部件质量具有重要意义。未来工作将进一步探索原位测量与部件外机械性能之间的关系。来源：增材制造硕博联盟