Ti和Al掺杂方法对激光定向能量沉积CrCoNi中熵合金微观结构与性能的影响机制研究

推荐：本研究针对航空航天领域对高比弯曲强度和耐温性能的需求，通过电子束粉末床熔融(EB-PBF)技术制备了具有拓扑优化核心的Ti-6Al-4V整体夹层结构。研究人员对比了四种晶格核心几何结构（Octet、Kelvin、Gyroid和Primitive），并采用密度基(SIMP)和von Mises应力最小化策略进行功能分级。结果表明，应力分级策略显著提升了最大载荷和模量，Gyroid核心结构表现出最优的抗弯性能，为轻量化耐高温结构设计提供了新思路。

　　

在航空航天领域，金属夹层结构因其高比弯曲强度和优异的耐温性能而被广泛应用。然而，传统连接方法如钎焊存在几何复杂度受限和孔隙缺陷等问题，限制了其性能发挥。为此，研究人员探索了增材制造技术在制备整体式夹层结构方面的潜力，但关于不同晶格核心拓扑结构在复杂载荷下的性能差异仍缺乏系统研究。

华盛顿大学机械工程系的研究人员采用电子束粉末床熔融(EB-PBF)技术，制备了具有新型拓扑优化核心的Ti-6Al-4V整体夹层结构。研究对比了两种桁架结构（Octet和Kelvin）和两种三周期极小曲面(TPMS)结构（Gyroid和Primitive），并基于四点弯曲模拟应用了两种功能分级方法：基于密度(SIMP)的顺应性最小化策略和von Mises应力最小化策略。该研究发表在《Materials》上，为航空航天轻量化结构设计提供了重要参考。

研究采用的主要技术包括：1) 通过nTopology平台进行参数化建模和隐式CAD设计；2) 使用Arcam A2X系统进行EB-PBF成型；3) 基于ASTM C393标准进行四点弯曲实验；4) 结合有限元分析(FEA)和拓扑优化方法评估性能；5) 通过SEM和光学显微镜分析微观结构和断口形貌。

研究结果部分显示：

1. 夹层结构设计：成功开发了四种相对密度为10%的晶格核心结构，其中TPMS结构通过隐式函数生成，并采用独特方法实现与面板的无缝集成。

2. 有限元建模：验证了边界条件设置的有效性，发现应力分级策略可使超过屈服准则的节点比例从30kN延迟至40kN。

3. 密度分级方法：通过SIMP算法将优化结果映射到晶格厚度，实现10.1-10.9%的相对密度控制。

4. 应力分级方法：基于von Mises应力场进行厚度分级，使Gyroid和Primitive结构的最大厚度分别达到2mm和0.6mm。

5. 材料与制备：使用D10/50/90为20/33/51μm的Ti-6Al-4V粉末，在730°C预热温度下完成67小时打印，获得抗拉强度993.5MPa的试样。

6. 实验设置：按ASTM C393标准进行四点弯曲测试，跨度142mm，应变速率1mm/min，最大应变控制在0.07mm/mm。

7. 试样制备：水平打印的试样表现出0.6%的线性收缩率，垂直打印试样则显示各向异性，断裂应变降低15-20%。

8. 弯曲行为：TPMS结构抗弯性能优于桁架结构，Gyroid结构的最大载荷达4.8kN，比Primitive高22%。

9. 应力-应变结果：应力分级使Gyroid的弹性模量提升20%，但断裂韧性降低35%，显示强度-韧性权衡关系。

10. 断口分析：SEM显示断口呈现韧窝特征，证实失效为材料固有行为而非缺陷导致。

结论部分指出：1) TPMS结构（特别是Gyroid）具有最优的抗弯性能，其最大载荷和屈服应力比传统桁架结构提高30%以上；2) 应力分级策略相比密度分级能更有效地提升刚度和承载能力；3) 各向异性研究表明垂直打印会降低延展性；4) 断口分析证实EB-PBF成型质量良好，失效模式由几何设计主导。该研究为航空航天领域轻量化耐高温结构设计提供了重要指导，未来可通过结合面