重庆大学龚愉顶刊丨基于增材制造的分层梯度点阵结构设计与力学性能研究_ACT_Mechanical

重庆大学龚愉顶刊丨基于增材制造的分层梯度点阵结构设计与力学性能研究

1 研究背景及目的

自然界中普遍存在的梯度现象在提升结构承载性能等方面发挥着重要作用。本研究旨在借鉴这一自然现象，开发出具有优异力学性能的点阵结构，促进其在工程领域的实际应用。为此，我们提出了两种创新的点阵结构分层梯度设计策略，并对相应结构的力学与能量吸收特性进行了深入分析，为点阵结构的设计和工程应用提供了新视角。

2 论文亮点

（1）基于自然界中普遍存在的分层现象，提出了两种不同的分层梯度点阵结构的设计策略。

（2）研究了分层梯度点阵结构在压缩载荷下的力学性能和能量吸收能力，对设计的有效性进行了验证。

（3）研究了不同的分层梯度设计策略和层间梯度跨度对点阵结构力学性能的影响。

（4）通过调整压缩方向，对结构的各向异性进行了研究与讨论。

Fig. 1. Schematic diagram of layered gradient lattice structure (a) IC357 structure ;(b) IC37 structure ;(c) CC357 structure ;(d) Single cell size.

3 试验方法

在本研究中，我们使用尼龙PA2200和选择性激光烧结技术(SLS)制备了点阵结构试件，并利用Abaqus软件建立了相应结构的有限元模型。通过准静态压缩试验与数值模拟相结合的方法，系统地分析了不同设计策略和梯度跨度对点阵结构力学性能和能量吸收特性的影响。每种结构进行了三次实验，以确保结果的可靠性和可重复性。在通过试验对比验证了有限元模型的有效性后，进一步通过数值模拟对不同点阵结构的各向异性进行了研究，在获得可靠结果的同时降低了试验成本。

Fig. 2. Compression deformation process of lattice structures.

Fig. 3. Numerical simulation of the anisotropy of the lattice structure.

4 结果

研究结果表明，合理的分层梯度设计可以提高结构的压缩力学性能和能量吸收特性。具体来说，与体心立方(BCC)结构相比，优化后的分层梯度点阵结构在沿梯度方向受压时，其弹性模量最高可提升40.05%，而单位体积的能量吸收能力最高可提升13.04%。所有三种分层梯度点阵结构均表现出显著的各向异性。与沿梯度方向压缩相比，当垂直于梯度方向压缩时，结构的某些力学性能略有下降，但仍然高于BCC结构。同时，当垂直于梯度方向压缩时，分层梯度结构的能量吸收特性更加理想。垂直于梯度方向压缩时，三种梯度结构单位体积能量吸收的最低值为0.53 J/cm3(IC357)，仍高于沿梯度方向压缩时三种梯度结构单位体积能量吸收的最高值0.52 J/cm3(CC357)。

Fig. 4. Nominal stress-strain curves of lattice structures.

Fig. 5. Energy absorption per unit volume of lattice structures.

Fig. 6. Energy absorption efficiency curves.

5 结论

与BCC结构相比，合理的分层梯度设计可以提高结构的压缩力学性能和能量吸收特性，尽管相对密度略有增加，但弹性模量等性能的改善更为明显。分层梯度点阵结构的力学性能会因压缩方向的不同而有所变化，具有明显的各向异性。当垂直于梯度方向压缩时，所有分层结构表现出更高的能量吸收效率。因此，可以根据特定要求选择合适的分层设计方案和承载方向。

6 前景与应用

分层梯度设计使点阵结构在相对密度仅增加0.56%的情况下，力学和能量吸收能力获得有效提升。这充分体现了点阵结构轻质高强和优越吸能的特点，可以作为航空航天等领域的轻质承载结构及头盔、吸能盒等防护装备的填充物，具有广阔的应用前景。

来源：增材制造硕博联盟

华中科大三校联合顶刊丨激光粉末床熔融Ti6AI4V的残余应力和微观结构演变机制

大多数关于LPBF中Ti6Al4V合金热处理的研究主要集中在高温应力消除退火以调控微观结构和机械性能上。湖北工业大学、华中科技大学、海军工程大学、太行实验室等科研人员系统地研究了350℃低温应力消除退火对残余应力行为、微观结构和显微硬度演变的影响，并与500至650℃的常规退火处理进行了比较。结果表明，在350℃低温退火600分钟后，残余应力几乎完全释放，且随着持续时间的延长，组成相不会分解。本研究中使用的加工参数Processing parametersValueLaser power (W)300Scanning velocity (mm/s)1000Hatch spacing (mm)0.1Layer thickness (mm)0.04Initial angle (°)0Scanning rotation (°)90Substrate temperature (°C)25 热处理的详细参数Heat treatment conditionTemperature (°C)Duration (min)Low-temperature annealing35010,30,60,120,300,600High-temperature annealing50010,30,60,120,30065010,30,60,120,300 热处理对残余应力的影响当退火温度为650℃时，应力随持续时间从10分钟延长到60分钟而急剧下降。当退火持续时间达到60分钟时，应力几乎完全释放。在500℃退火温度下，应力也随持续时间从10分钟延长到60分钟而急剧下降，但之后应力下降趋势变得平缓。在350℃退火温度下，应力随持续时间从10分钟延长到600分钟而逐渐释放，当持续时间达到600分钟时，应力几乎完全释放。热处理对屈服应力的影响在500°C和350°C时，屈服应力分别约为480MPa和600MPa。这种逆温度-强度关系与较高温度下的加速应力释放直接相关。650°C的处理实现了最快的残余应力松弛率，而在500°C和350°C下，松弛率逐渐降低。热处理对微观结构的影响 Ti6Al4V是一种α+β合金，传统锻造和铸造Ti6Al4V的基本结构由密排六方（HCP）结构的α/α'相和体心立方（BCC）结构的β相组成。然而，当冷却速率超过410℃/s时，Ti6Al4V合金获得完全马氏体微观结构。因此， LPBF制造的Ti6Al4V的微观结构主要由针状α'相组成。对于在350℃退火温度下处理的样品，随着持续时间从10分钟延长到600分钟，组成相没有明显变化，均由分布在原始柱状β相中的针状α'相组成。这是因为LPBF Ti6Al4V中α'相的初始分解温度为400℃，而350℃的退火温度不足以诱导α'相分解。在500℃退火温度下，当持续时间从10分钟延长到30分钟时，微观结构仍由针状α'相组成。然而，当持续时间延长到60分钟时，白色β相逐渐开始析出，并且随着持续时间从60分钟延长到300分钟，β相析出的量逐渐增加。在650℃退火温度下，由于退火温度远高于α'相的分解温度，仅在持续时间为10分钟时即可观察到少量白色β相析出，且β相析出的量随持续时间的增加而增加。当持续时间增加到300分钟时，针状α'相的边界开始逐渐模糊。热处理对显微硬度的影响对于在650℃和500℃退火温度下的样品，显微硬度值在持续时间为10分钟时达到最大，然后随着持续时间的延长而略有下降。对于在350℃退火温度下的样品，显微硬度值随持续时间从10分钟延长到300分钟而缓慢增加，当持续时间延长到600分钟时，显微硬度值略有增加。与未退火试样相比，退火试样的显微硬度更高，且在500℃退火温度下达到最高。这是因为在退火过程中，未退火试样中的针状α'相部分分解为更小的子结构，导致显微硬度增加。随着退火温度的升高，子结构的细化更加彻底，硬度相应增加。然而，在650℃下长时间退火会导致α'相分解和晶粒粗化，从而降低显微硬度。尽管如此，由于α'相分解形成的α相子结构小于未退火试样中的子结构，因此在650℃下退火的试样的显微硬度仍高于未退火试样。结论1.在所有提出的三个退火温度下，样品中的应力随持续时间从10分钟延长到60分钟而迅速下降。在此之后，应力下降趋势变得平缓。在350℃下，经过600分钟后实现近乎完全的应力释放。相比之下，在500℃下经过300分钟和在650℃下仅经过60分钟即可有效消除残余应力。2.由于α'相的初始分解温度为400℃，在350℃下退火的样品保留了与未退火条件相同的微观结构特征：针状α'马氏体保留在原始柱状β晶粒边界内。相比之下，在500℃和650℃下退火会引发β相析出，且β相分数随持续时间的延长而增加。在500℃下退火60分钟后和在650℃下退火10分钟后即可观察到β相析出。3.LPBF Ti6Al4V试样的显微硬度与微观结构演变密切相关。在350℃下，由于子结构的逐渐细化，显微硬度随持续时间的延长而逐渐增加。在500℃和650℃下退火的试样也表现出高于未退火试样的显微硬度，这是由于针状α'相部分分解为细小子结构所致。然而，在500℃和650℃下长时间退火会导致α'相分解和晶粒粗化，从而降低显微硬度。显微硬度在500℃退火温度下达到最高，持续时间为10分钟。4.在350℃下退火观察到的应力消除行为为优化LPBF系统中的原位基板加热参数提供了关键见解。这种低温方法表明，可以在不改变微观结构的情况下实现有效的残余应力消除，这是增材制造过程中控制的关键要求。来源：增材制造硕博联盟