DMLS（直接金属激光沉积）制造的Ti6Al4V分层蜂窝结构的准静态压碎实验

《Materials & Design》：Quasi-static crushing of DMLS-produced Ti6Al4V hierarchical honeycombs

能量吸收与力学行为分析。

　　在这项研究中，科学家们探讨了通过直接金属激光烧结（DMLS）技术制造的钛合金Ti6Al4V（ELI）的分层蜂窝结构在准静态压缩下的表现。这项研究的背景是，蜂窝结构因其在能量吸收方面的卓越能力而被广泛用于各种工程领域，如航空航天、汽车、国防和医疗行业。然而，对于这些分层结构的压缩性能，目前的研究数据仍然有限，尤其是它们的表面质量和机械行为在准静态压缩条件下的表现。为了填补这一空白，研究人员设计并制造了零级、一级和二级的基于顶点的分层蜂窝结构，并对其进行了详细的实验分析，以评估不同层级结构在准静态压缩条件下的能量吸收能力。

研究人员指出，Ti6Al4V材料因其高强重比、耐腐蚀性和高温耐久性，成为理想的候选材料。然而，其高熔点、低热导率以及在激光粉床熔融过程中对残余应力和微观结构各向异性敏感，使得该材料在制造分层结构时面临一定的挑战。这些挑战包括制造过程中因几何复杂性导致的热分布不均，以及制造后对表面质量的控制要求较高。因此，研究团队在制造过程中采用了特定的热处理和支撑结构去除策略，以确保结构的质量和性能。

在实验过程中，研究人员使用了MTS Criterion TM Model 43万能试验机对不同层级的分层蜂窝结构进行准静态压缩测试。测试结果显示，随着分层层级的增加，表面粗糙度（Ra）也相应增加，但顶面的Ra值通常低于侧面。这表明，尽管制造过程中的几何复杂性可能导致表面质量的下降，但顶面的表面处理技术，如喷丸处理，可以显著改善表面粗糙度。此外，实验还表明，零级分层蜂窝结构在准静态压缩下表现出最低的失效载荷，而二级分层结构则表现出最高的失效载荷。这种趋势表明，随着分层层级的增加，结构的刚度和承载能力也随之提升。

研究还发现，不同层级的分层蜂窝结构在准静态压缩下的失效模式有所不同。零级结构主要表现出弯曲和滑动失效，而一级和二级结构则在弯曲和屈曲之后，通过滑动和密度化进一步失效。这表明，随着分层层级的增加，结构的失效机制变得更加复杂和分散，从而增强了其能量吸收能力。然而，这些结构的失效模式也使得在某些情况下，它们的定向敏感性降低，即在x和y方向上的失效载荷更加一致。

此外，研究还指出了制造过程中的一些挑战，包括支撑结构的去除问题。由于分层结构的几何复杂性，支撑结构的去除过程往往需要大量的人工干预，且可能导致表面损伤和结构失稳。因此，研究团队建议采用更先进的自动化技术，如基于机器学习的机器人系统，以更高效地去除支撑结构，同时保持结构的质量和完整性。

总的来说，这项研究为分层蜂窝结构在准静态压缩下的机械性能提供了重要的见解。通过实验和理论分析的结合，研究人员不仅验证了分层结构在能量吸收方面的潜力，还指出了在制造和测试过程中需要注意的关键问题。这些发现对于未来的分层结构设计和制造具有重要意义，特别是在需要高能量吸收能力和高结构稳定性的应用中。