高强度且抗裂的15-5PH不锈钢，采用激光粉末床熔融技术制备，具有双曲面晶格结构

《Materials Today Communications》：High-strength and crack-resistant 15-5PH stainless steel with Gyroid lattice structures fabricated via laser powder bed fusion

15-5PH不锈钢Gyroid晶格通过LPBF制备，研究其微观结构与力学性能的协同效应，发现晶格结构配合加工诱发的高位错密度和细小晶粒可提升抗拉强度至1798MPa并抑制裂纹扩展， CPFEM模拟揭示几何与微结构相互作用机制。

　　本研究围绕15-5PH不锈钢的Gyroid晶格结构展开，探讨其在高强度和抗裂性能方面的表现。这种结构因其独特的几何形态和机械特性，被认为是满足航空航天和民用工程中对轻量化与高性能系统需求的理想选择。通过激光粉末床熔融（LPBF）技术，研究人员成功制备了具有不同单元尺寸和相对密度的Gyroid晶格结构。为了深入分析这些结构在受力过程中的变形行为和裂纹扩展机制，采用了数字图像相关（DIC）技术与晶体塑性有限元模拟（CPFEM）相结合的方法。实验结果显示，Gyroid晶格结构在22.3%的延伸率下，能够实现高达1798 MPa的抗拉强度，有效抑制裂纹的快速传播。这表明，Gyroid晶格结构在力学性能上表现出色，具有广泛的应用前景。

在材料科学和工程领域，高强度不锈钢一直是重要的研究对象，特别是在需要兼顾强度、延展性和经济性的应用中。传统制造方法往往难以实现复杂几何结构的成型，限制了高强度不锈钢的广泛应用。而增材制造技术的出现，为拓扑优化和材料定制提供了新的可能性，使得能够制造出具有特定性能的部件。在众多可加工材料中，15-5PH不锈钢因其良好的加工性能、优异的强度和延展性而脱颖而出。这些特性使其在航空航天和工程领域中被优先选用，相较于其他增材制造合金，如316L和17-4PH不锈钢，15-5PH不锈钢在多种应用场景中展现出更强的适应性和可靠性。

增材制造的15-5PH不锈钢通常具有独特的微观结构特征，包括高位错密度、细化晶粒、细胞状次结构和独特的相分布。这些微观结构特征共同作用，显著提升了材料的力学性能，使其成为一种极具潜力的高强度不锈钢。然而，增材制造过程中材料的易裂性仍然是一个关键挑战。裂纹的形成通常与残余应力或熔合不足缺陷有关。具体而言，凝固裂纹与固化的区域和熔池之间的显著热梯度密切相关，导致高残余应力，从而在熔池区域产生显著的应变。当液态金属的流动不足以承受这种应变时，凝固裂纹就会形成。液化裂纹则常见于激光焊接中，表现为热影响区和熔池中的小裂纹，其机制与能量源和材料之间的频繁热循环有关。此外，延展性裂纹是一种高温固态现象，常见于通过多道焊接和激光增材制造的奥氏体不锈钢和镍基高温合金中。近期研究表明，增材制造过程中独特的热历史可能会引发意想不到的相变和微观结构异质性，特别是在奥氏体和马氏体沉淀硬化不锈钢中，从而加剧裂纹倾向。

因此，本研究旨在通过微观结构优化和几何设计策略，缓解增材制造15-5PH不锈钢的裂纹问题。受自然结构的启发，三重周期极小曲面（TPMS）晶格结构近年来因其优异的机械和功能特性而受到关注，包括高能量吸收能力、高比强度和良好的热传导性。将TPMS晶格结构与15-5PH不锈钢结合，通过增材制造技术，为减轻裂纹问题提供了一种有前景的策略，同时还能降低结构重量、提高能效，并保持机械完整性以抵抗裂纹扩展。

LPBF是一种关键的增材制造技术，通过逐层选择性熔化金属粉末，能够制造出接近最终形状的部件。由于其高分辨率和周围粉末床提供的机械支撑，LPBF特别适合制造具有复杂多孔结构的晶格结构。在这些结构中，TPMS晶格结构因其数学定义的几何形态而受到广泛关注，这种形态允许通过调整单元尺寸、形态和壁厚等参数，对材料的力学和功能特性进行精确控制。TPMS晶格结构的一个显著特点是其零平均局部曲率和光滑的鞍形双曲面，这种结构本身避免了尖锐的边角和连接点，从而形成高度互联的网络，有效缓解应力集中并提升整体机械性能。通过LPBF制造的TPMS晶格结构具有优异的承载能力和渗透性，适用于航空航天、生物医学植入和热交换器等应用领域。

Bonatti等人研究了由316L不锈钢制造的TPMS晶格结构，发现其能量吸收能力比传统的桁架结构高出80%。此外，研究表明，基于片状的TPMS晶格结构在刚度和强度方面优于基于杆状和壳状的结构。Gandhi等人通过LPBF制造了多方向功能梯度多孔Ti6Al4V支架，发现Gyroid和Primitive晶格结构在机械和疲劳性能方面优于杆状结构。具体而言，Gyroid晶格结构在10^6次循环后仍能保持25 MPa的强度，显示出在高周疲劳下的长期耐久性。Gyroid和Primitive晶格结构在机械强度和生物相容性方面的提升，使其成为具有潜力的承重骨科植入材料。

Guo等人成功利用LPBF结合声场技术制造了互穿相复合Gyroid晶格结构。他们的研究结果表明，经过改良的Gyroid晶格结构在强度和特定能量吸收方面优于原始结构，显示出出色的能量吸收能力。WC的加入以及声场技术的应用显著细化了晶粒尺寸并减弱了晶粒取向强度，从而增强了结构对外部载荷的抵抗能力。然而，LPBF制造过程中形成的Gyroid晶格结构的微观结构对其力学性能的影响仍是一个未被充分研究的领域。虽然已有研究主要关注宏观拓扑结构及其对力学性能的影响，但增材制造部件的微观结构同样受到扫描策略和局部几何特征的显著影响。因此，本研究旨在通过系统地从多尺度视角分析增材制造TPMS晶格结构的机械行为，弥补这一研究空白。

在本研究中，设计并制造了一系列基于LPBF工艺的Gyroid晶格结构。这些结构的微观特性得到了全面表征，其常温下的拉伸性能也进行了系统评估。为了揭示其变形和抗裂机制，研究人员开发了一种创新的分析框架，结合DIC技术和考虑损伤演化的CPFEM。研究结果表明，LPBF处理的Gyroid晶格结构表现出增强的强度和有效的裂纹抑制能力，这主要归因于其宏观几何结构与增材制造过程中形成的微观结构特征之间的协同作用。本研究为TPMS晶格结构金属材料的变形机制提供了新的视角，并为增材制造的15-5PH不锈钢Gyroid晶格结构提供了一个定制化的CPFEM工具，从而为高性能晶格结构的设计提供了有价值的策略。

在设计不同TPMS晶格结构时，Gyroid晶格结构因其独特的几何优势而被选中。首先，Gyroid晶格结构的平滑表面能够有效避免应力集中，通过消除尖锐的边角和边缘，提升结构的整体稳定性。其次，其连续且高度互联的Gyroid表面提供了较大的表面积，有助于在LPBF过程中实现更高效的热量传递和散发。此外，Gyroid晶格结构在低相对密度下表现出良好的自支撑打印性能和优异的机械性能，相较于其他类型的晶格结构，具有更强的适应性。Gyroid晶格结构的数学描述能够准确反映其复杂的几何形态，使得研究人员能够在设计过程中对结构参数进行精确控制，从而优化其性能。

在分析Gyroid晶格结构的形态和微观结构特征时，研究团队通过扫描电子显微镜（SEM）观察了不同单元尺寸下的Gyroid晶格结构的微观形貌。SEM图像显示，所制备的样品能够顺利从构建板上移除，且无明显变形，与设计的Gyroid结构（如图1所示）高度一致。测量结果表明，不同单元结构的片状厚度在141~155微米之间，仅有微小的误差范围。值得注意的是，在结构的边缘观察到粉末附着现象，这可能与制造过程中的热历史和材料流动有关。此外，研究还发现，不同的制造参数对晶格结构的微观特征产生显著影响，包括晶粒尺寸、晶粒取向和位错密度等。这些微观特征不仅决定了材料的性能，还对裂纹的形成和扩展机制起到关键作用。

在结论部分，研究团队总结了本研究的主要发现。首先，通过LPBF工艺制造的Gyroid晶格结构表现出显著的高强度和抗裂能力，这主要得益于其宏观几何结构与微观结构特征之间的协同作用。其次，通过实验和模拟相结合的方法，研究人员揭示了裂纹扩展机制，发现Gyroid晶格结构的螺旋式架构与裂纹尖端的位错积累共同作用，提高了裂纹传播的阻力。此外，研究还表明，增材制造过程中形成的微观结构特征，如高位错密度和细化晶粒，对材料的力学性能具有重要影响。这些发现不仅深化了对Gyroid晶格结构力学性能的理解，也为未来设计和优化高性能晶格结构提供了新的思路和方法。

本研究的成果表明，Gyroid晶格结构在增材制造过程中能够实现优异的机械性能，特别是在强度和抗裂性方面。这些性能的实现不仅依赖于宏观几何结构的设计，还与微观结构特征的形成密切相关。通过系统的实验和模拟分析，研究人员能够深入理解增材制造过程中材料的变形机制和裂纹扩展行为，为未来的材料设计和工程应用提供理论支持和技术指导。此外，本研究还为开发适用于复杂应用场景的高性能晶格结构提供了新的方向，特别是在需要兼顾强度、延展性和经济性的领域。

在材料设计和制造过程中，研究团队的贡献得到了充分的认可。Jiuyi Li在研究的原始撰写、方法设计、数据整理和概念提出方面发挥了重要作用。Zhiyang Ni负责软件开发、实验调查和数据整理。Decheng Kong和Li Wang在论文的审阅和编辑过程中提供了关键支持，其中Li Wang还负责项目管理与资金获取。Jianxiong Liang负责数据的可视化展示，Ketai He参与了实验结果的验证，Chaofang Dong在论文的审阅和编辑、项目管理与资金获取以及概念提出方面提供了重要贡献。Zhanghua Chen则负责整体研究的监督和概念指导。这些作者的共同努力，使得本研究能够在材料科学和工程领域取得突破性的成果。

本研究的成果不仅有助于理解Gyroid晶格结构的力学性能，还为未来的材料设计和制造提供了新的思路。随着增材制造技术的不断发展，TPMS晶格结构的应用前景愈发广阔。未来的研究可以进一步探索不同材料在增材制造过程中的性能表现，以及如何通过优化制造参数来提升材料的综合性能。此外，还可以结合先进的模拟技术，如CPFEM和DIC，对材料的变形机制进行更深入的分析，从而为设计高性能晶格结构提供更科学的依据。

在工程应用方面，Gyroid晶格结构因其优异的机械性能和轻量化特性，被认为是未来高性能材料的重要发展方向。特别是在航空航天、生物医学和能源传输等领域，Gyroid晶格结构的应用潜力巨大。未来的研究可以进一步探讨如何将Gyroid晶格结构与其他功能材料结合，以实现更广泛的性能优化。同时，还可以通过实验和模拟相结合的方法，深入分析不同制造参数对材料性能的影响，从而为实际工程应用提供更可靠的技术支持。

此外，本研究的成果也为材料科学和工程领域提供了新的研究视角。通过系统的实验和模拟分析，研究人员能够揭示材料的多尺度行为，为未来的材料设计和制造提供更全面的理论框架。这种多尺度研究方法不仅有助于理解材料的性能，还能够为优化制造工艺提供新的思路。随着对材料性能需求的不断提高，未来的研究可以进一步探索如何通过调控微观结构特征，提升材料的综合性能，从而满足不同工程应用的需求。

综上所述，本研究通过系统的实验和模拟分析，揭示了Gyroid晶格结构在增材制造过程中的力学性能表现，特别是其高强度和抗裂性。这些发现不仅深化了对TPMS晶格结构的理解，还为未来的材料设计和制造提供了新的思路和方法。随着增材制造技术的不断发展，Gyroid晶格结构的应用前景将更加广阔，为解决复杂工程问题提供新的解决方案。