相界调控的AlCoCrFeNi2.1共晶高熵合金弯曲疲劳行为与裂纹扩展机制研究

为解决传统金属夹层结构因钎焊工艺导致的几何复杂度受限和孔隙缺陷问题，研究人员采用电子束粉末床熔融(EB-PBF)技术，通过拓扑优化设计制备了具有新型晶格芯材的Ti-6Al-4V整体式夹层结构。研究对比了Octet、Kelvin桁架结构与Gyroid、Primitive三周期极小曲面(TPMS)芯材的性能，发现应力最小化策略可使Gyroid芯材获得最高载荷(993.5MPa)和屈服应力，TPMS结构展现出更优的抗屈曲性能，为航空航天轻量化设计提供了新思路。

　　

在航空航天领域，金属夹层结构因其优异的比弯曲强度和耐高温性能被广泛应用于推进系统等关键部位。然而传统钎焊工艺在连接面板与芯材时，不仅严重限制了结构设计的几何自由度，还难以避免孔隙缺陷的产生——这些缺陷在弯曲载荷下极易引发芯材分层，导致结构失效。更棘手的是，随着航空器性能要求的不断提升，传统蜂窝结构芯材已难以满足复杂工况下的力学需求。

华盛顿大学机械工程系的研究团队创新性地采用电子束粉末床熔融(EB-PBF)技术，通过拓扑优化设计制备了整体成型的Ti-6Al-4V夹层结构。研究选取了Octet、Kelvin两种桁架结构和Gyroid、Primitive两种TPMS结构作为芯材，并创新性地应用基于密度(SIMP)的顺应性最小化和von Mises应力最小化两种功能梯度策略。相关成果发表在《Materials》期刊上，为航空航天轻量化结构设计提供了重要参考。

研究团队首先通过隐式建模技术构建参数化模型，采用有限元分析(FEA)模拟四点弯曲工况，并创新性地将拓扑优化结果映射到晶格结构实现厚度梯度控制。实验采用ASTM C393标准，在Instron 5585H试验机上对44组水平构建和12组垂直构建试样进行测试，结合SEM和光学显微镜分析失效机制。

3.1 试样制备
EB-PBF工艺以67小时/件的效率成功制备出相对密度10%的夹层梁，CTE补偿后的尺寸误差小于1%。显微组织分析显示典型的α+β魏氏体结构，水平构建试样呈现贯穿层的柱状 prior-β晶粒，而垂直构建试样则显示等轴晶特征。

3.2.2 应力-应变结果
TPMS结构展现出显著优势：Gyroid芯材在应力梯度优化后弯曲强度达993.5MPa，比均匀结构提高20%；Primitive芯材因上层面板屈曲呈现"双峰"曲线；Octet桁架结构因杆件对齐加载点表现出最高刚度(104.7GPa)，但性能波动较大；Kelvin结构则因节点应力集中表现最差。

3.2.3 断口分析
SEM显示断裂面均为韧窝形貌，证实失效源于几何设计而非工艺缺陷。TPMS结构失效模式具有明显区分：Gyroid为下层面板拉伸断裂，Primitive为上层面板屈曲，而桁架结构均为芯材压溃。应力梯度使Gyroid的破坏应变降低至0.01mm/mm，但最大载荷提升35%。

这项研究证实，通过EB-PBF技术可实现高性能金属夹层结构的一体化制造。TPMS结构尤其是Gyroid拓扑展现出最优的抗屈曲性能，而应力最小化梯度策略相比传统密度法能更有效地提升结构效率。研究创新点在于：首次将von Mises应力场直接映射为晶格厚度梯度；建立TPMS结构在弯曲载荷下的失效判据；发现构建方向对Octet结构性能存在反常影响（垂直构建强度反超水平构建12%）。这些发现为航空发动机短舱、除冰系统等关键部件的轻量化设计提供了新思路，未来可通过结合面板梯度优化进一步突破性能极限。