选区激光熔化成形点阵结构的各向异性对力学性能的影响

选区激光熔化技术（selective laser melting, SLM）成形的金属点阵结构由于具有结构设计自由度大、轻量化、缓冲吸能等优势,在航空航天等领域具有广泛的工程应用前景,然而对其力学性能的研究不够充分。本研究设计了不同方向的体心立方（body-centered cubic, BCC）和金刚石（Dia）两种晶胞点阵结构,基于SLM技术成形了AlSi10Mg点阵结构,并对成形试样进行了压缩试验,结合有限元分析（finite element analysis, FEA）研究了点阵结构的各向异性对其压缩响应和吸能特性的影响。结果表明,两种点阵结构均存在明显的各向异性。在相对密度基本一致的情况下,点阵结构方向从0°到45°,随着角度的增大,屈服强度明显增大,BCC点阵结构的各向异性对其压缩屈服强度的影响更加明显,Dia点阵结构的屈服强度明显高于BCC点阵结构。不同方向点阵结构的比吸能(specific energy absorption, SEA)存在明显差异,点阵结构方向从0°到45°,随着角度的增大,SEA明显增大,Dia点阵结构的SEA明显高于BCC点阵结构。不同方向点阵结构的碰撞载荷效率(crash load efficiency, CLE)存在明显差异,BCC点阵结构在0°方向取得最大值1.07,并随着点阵结构角度的增大逐渐减小,Dia点阵结构CLE随着点阵结构角度的增大而增大,并在45°方向上取得最大值1.01。     

SLM NiTi记忆合金BCC点阵结构的吸能特性研究

通过选区激光熔化（SLM）技术制备了不同体积分数的NiTi记忆合金BCC点阵结构（基于CAD及基于三周期极小曲面TPMS）,分析了失效前的压缩响应,研究了体积分数、单元构型和微观组织对能量吸收的影响。结果表明：NiTi BCC点阵（体积分数5 %~25 %）在压缩至损伤前具有优秀的比能量吸收（0.45~1.89 J/g）,卸载后加热可恢复至92 %以上;体积分数及单元构型对NiTi BCC点阵的压缩响应有重要影响;体积分数小于15 %时,CAD样品具有更长可压缩应变,比能量吸收更好;体积分数大于15 %时,TPMS样品具有更高压缩应力,比能量吸收更好;SLM过程中的阶梯效应导致了点阵支杆的下表面与内部具有不同的材料组织,下表面处熔池条纹更深更宽且晶粒更加粗大;材料异质性导致了相对较差的机械性能,不利于能量吸收;由于受载下应力集中位置及异质比例的不同,该材料异质性对低体积分数的TPMS样品的不利影响更大。     

激光增材制造Ti6Al4V点阵结构的抗压吸能特性

人体骨骼受到碰撞后的断裂过程伴随着能量吸收,多孔骨植入体的设计需考虑结构的抗压吸能特性。在空间尺寸(20 mm×20 mm×30 mm)内,通过拓扑优化设计和激光增材制造技术制备不同胞元尺寸和相对密度的Ti6Al4V点阵结构,采用熔池监控、单向压缩实验和有限元仿真方法,探究了点阵结构的表面质量、断裂形变规律和吸能特性。结果表明,点阵结构的结构参数受熔池温度场和粉末支持力的影响;点阵结构的抗压行为遵循弹脆性变化规律,断裂带与制造方向呈45度;点阵结构的断裂机制为韧性断裂,裂纹沿内部微孔洞分布方向扩展;能量吸收能力与相对密度成正比关系,与胞元尺寸成反比;能量吸收效率与相对密度成反比,与胞元尺寸均成正比关系。     

桁架类与极限曲面类点阵结构的力学性能

多孔钛合金的设计与力学性能是生物医学领域的研究热点。通过SLM技术设计并制造了2种均质和梯度的Gyroid极小曲面单胞结构,通过对其进行静态压缩试验和拉伸试验并与传统的桁架类单胞结构做对比,建立了5种不同点阵结构的准静态压缩模型。通过Hypermesh与ABAQUS联合仿真的方式,对它们进行了网格划分与分析计算,通过应力应变云图、塑性应变云图以及压缩实验过程的观察,综合分析了空心立方、G7、bcc、均质Gyroid和梯度Gyroid 5种多孔结构失效形式和变形机制,将仿真得出的应力应变曲线与试验结果进行了对比,发现该仿真方法可以较好预测出不同多孔结构的最大抗压强度。压缩和拉伸试验结果表明,Gyroid点阵材料的最大抗拉性能远高于桁架类结构,抗压性能也更优越。其中,G梯度结构的综合力学性能最优。     

胞状AlCu5Mn合金泡沫的压缩性能和能量吸收特性

用熔体发泡法制备孔隙率为51.5%～90.5%、孔结构均匀的胞状铝合金(AlCu5Mn),研究其孔结构、压缩性能、能量吸收能力、能量吸收效率和吸能性能.结果表明:胞状铝合金孔结构由高孔隙率(88.8%)时的大孔径、多边形孔向低孔隙率(62.5%)时的小孔径、球形孔孔结构过渡,其压缩应力(σ)-应变(ε)曲线具有线性变形阶段、屈服平台阶段和致密化阶段三个部分,由线性变形阶段进入屈服平台阶段所对应的ε_s值介于2%～9%之间;屈服强度σ_s~*随着孔隙率的增大而下降,在孔隙率相同的条件下,胞状铝合金的力学性能优于胞状铝和多孔铝合金,其比刚度高于钢;当应变为定值时,胞状铝合金单位体积和单位质量的压缩吸能能力(C和C_m)都随着孔隙率的升高而降低,但是孔隙率在73.5%～82.1%范围内时,其C_m与ε的关系几乎不随孔隙率的改变而改变;对于孔隙率为51.5%～90.5%的胞状铝合金,它们的吸能效率的峰值都大于80%.胞状铝合金的C-σ和C_m-σ关系可以表征其吸能性能,从而可以根据实际工况选择作为减振吸能材料的胞状铝合金的最佳孔结构.     

多层泡沫铝夹芯结构准静态力学性能和吸能特性研究

采用闭孔泡沫铝和铝合金板制备单层夹芯板和六种多层夹芯结构。通过分析胞孔变形模式和宏观变形模式,研究了夹层板和芯层数量对结构准静态压缩力学性能和吸能特性的影响机制。结果表明：夹层板通过调节芯层间应力状态使芯层逐层坍塌,减少了由倾斜变形带的形成和延伸所导致的多芯层同步变形、横向滑动以及两侧滑移,使结构具有更高的坍塌应力、平台应力、单位体积吸能量以及更小的致密应变；芯层数量的增加导致无夹层板结构中变形带的长度和数量增加,从而改变了其宏观变形模式,致使结构两侧滑移现象加剧,同时积累了有夹层板结构中多个芯层中的胞孔缺陷,因此影响了逐层稳定变形,导致致密应变增大,坍塌应力、平台应力和单位体积吸能量减小,致密应变处的吸能效率降低。与其他结构相比,三层泡沫铝夹层板具有最佳的抗压强度和吸能性能。     

激光3D打印AlSi10Mg铝合金点阵结构材料的组织和力学性能

以不同激光3D打印参数制备了AlSi10Mg铝合金点阵结构材料,探索其最优化打印参数,研究了铝合金点阵结构材料的组织和性能,以及后续热处理对其组织性能的影响。结果表明,最优化打印参数为:环境温度80 ℃,粉层厚度30 μm,激光束直径80 μm,激光能量370 W,激光扫描速度1300 mm/s。制备的铝合金点阵结构材料空洞缺陷少,致密性高,显微组织呈一层层交错堆垛的激光熔池,为细小的α-Al等轴胞状晶和球状Si颗粒相组成,性能良好。经热处理后,原激光熔池缺陷、等轴胞状晶特征消失,Si颗粒相不断析出并长大,硬度和静态压缩试验下的平台应力降低,压缩性能下降。     

泡沫铝填充双层金属点阵结构增强效应及吸能特性

通过激光焊接获得3种不同几何构型的双层金属点阵结构,再将闭孔泡沫铝切割后填充到其孔隙当中获得一种新型泡沫铝填充双层金属点阵结构。采用实验和有限元模拟的方法研究其准静态面外压缩载荷作用下的承载能力、吸能特性及机理、变形破坏模式等。结果表明,泡沫铝的填充能够有效改变空心点阵结构的后屈曲行为,提高点阵芯体单元的屈曲稳定性,具有明显的耦合增强效应,表现在承载及能量吸收效率的大幅提升,可达到对应空心结构的10倍以上。     

热处理工艺对Ti-6Al-4V钛合金点阵结构显微组织和性能的影响

采用选区激光熔化技术制备了 Ti-6Al-4V钛合金点阵结构,并进行了 700℃、800℃和900℃保温2 h炉冷的热处理。检测了点阵结构的表面形态、微观结构和压缩性能,并与制备态点阵结构作了比较。结果表明:Ti-6Al-4V点阵结构具有较高的表面粗糙度,其组织由细小的针状α'马氏体和初生柱状β相组成;热处理后,α'马氏体分解为α+β混合片层组织,且加热温度越高α'马氏体分解越完全,α相粗化越明显;不同热处理工艺后的点阵结构具有相似的压缩变形过程,原始态点阵结构塑性的差异导致了 45°角坍塌带形成时压缩应变水平的不同;热处理后点阵结构的弹性模量和强度下降,但能吸收更多的能量。经900℃×2h炉冷的Ti-6Al-4V钛合金点阵结构更适合制作汽车吸能盒。     

复合蛋盒型夹层结构动态压缩的力学性能研究

蛋盒型结构是一种新型的周期性单胞轻质结构,该结构具有低密度、高比强度和吸能能力强等特性。本文通过有限元法建立了平面蛋盒型夹芯板与曲面蛋盒型夹心板的落锤冲击模型,对比分析了其抗冲击特性,并且对不同条件下的蛋盒型结构的动态压缩力学性能进行对比分析。结果表明：受到冲击时的夹芯板会经历三个阶段,其中压缩阶段为主要的吸能阶段,通过将冲击动能转变为夹芯板的塑性耗散能来达到缓冲吸能的目的,同时这些特性依赖于成型高度以及上下面板厚度等结构参数,单胞结构成型高度为6mm、单胞周期为20mm、上下面板板厚为0.5mm、曲率半径为400mm时,复合蛋盒型夹芯板具有更好地力学性能。     

3D打印轻质高强钨材的力学性能研究

采用选择性激光熔化（SLM）3D打印方式成功设计和制造了具有点阵结构的钨材，结合有限元分析、扫描电镜、准静态单轴压缩试验探究了不同点阵结构下钨材力学性能的变化规律，分析了微观组织对力学性能的影响。结果表明圆弧型点阵结构可有效降低节点处的应力集中，保持点阵结构轻质、低孔隙率特性同时还维持着钨材的高强度力学性能，平均抗压强度达到535MPa，平均质量仅为1.25g，激光打印后圆弧点阵较立方点阵平均抗压强度提升93%，其中体心圆弧点阵（BCA）显示出更优抗压性能，极限抗压强度达到721MPa，结构致密度为理论值12.8%；力学性能指标接近于变形态。与立方点阵相比，圆弧点阵具有良好的能力吸收特性，后者相较前者总能量吸收值提升223%，圆弧点阵平均能量吸收达到1664J/cm3。此外，SEM图像显示圆弧点阵因其弧形特性，减少了打印中斜支柱的悬挂距离，成型效果优于立方点阵。     

Effects of heat treatment on dynamic compressive properties and energy absorption characteristics of open-cell aluminum alloy foams

1 Introduction In the past few years, there has been a considerable increase in using metal foams for lightmass structural components and energy absorption parts for their wide plateau in the compressive stress-strain curve[1-3]. It has been shown that, e…     

选区激光熔化成形316L不锈钢多孔结构及力学性能

基于选区激光熔化技术(SLM),制备了BCC、FCC、FCCZ 3种不同拓扑单元的316L不锈钢多孔结构,验证了该技术成形复杂多孔结构件的可行性。对试样进行了准静态压缩试验,得到了多孔结构在压缩过程中的变形模式和力学响应曲线,对比分析了3种结构试样的力学性能。结果表明,FCCZ型多孔结构的抗压性能和能量吸收特性均优于BCC型和FCC型结构;利用ABAQUS/Explicit软件进行准静态压缩仿真,仿真结果和试验结果基本符合。     

SiC颗粒对粉末冶金泡沫铝的力学性能影响

本文在SiC颗粒增强粉末冶金泡沫铝压缩试验的基础上,研究SiC颗粒对其力学性能、吸能能力和吸能效率的影响。结果表明:SiC颗粒增强粉末冶金泡沫铝压缩应力应变曲线,呈现线弹性变形、屈服平台阶段、致密化阶段;其屈服强度随SiC颗粒的体积百分含量增大而增大。     

SiC对泡沫镁合金组织和性能的影响

对采用白云石作为发泡剂、SiC作为增粘剂制备的泡沫镁合金进行了微观表征和压缩测试,考察了SiC加入量对泡沫镁合金压缩性能和吸能性能的影响。结果表明,白云石作为发泡剂,在泡沫镁合金制备过程中并不能完全分解,未分解白云石及其分解和反应产物在孔壁处基本均匀分布,在内孔边缘局部聚集;增粘剂SiC在泡沫镁合金中以颗粒物的形式存在,主要聚集于内孔边缘及孔壁组织晶界位置。SiC含量在5%~20%内时,随着SiC加入量的增加,泡沫镁合金的密度、压缩平台应力和单位体积内吸收的能量均呈现出先减小后增大的趋势,转折点SiC含量为10%。在应变量为0~1内,泡沫镁合金的能量吸收效率随着应变量的增加先迅速升高,随后在一定范围内波动,最后迅速下降,波动范围为0.1~0.6。SiC加入量对泡沫镁合金能量吸收效率的影响规律不明显。