电子束粉末床熔融制备新型拓扑优化Ti-6Al-4V夹层结构的抗弯性能研究

为解决航空航天领域对高比强度、耐高温金属夹层结构的需求，华盛顿大学团队通过电子束粉末床熔融(EB-PBF)技术一体化制备了具有Octet、Kelvin桁架结构与Gyroid、Primitive三周期极小曲面(TPMS)核心的Ti-6Al-4V夹层结构。研究采用密度法与应力最小化策略对核心厚度进行功能梯度优化，通过ASTM C393四点弯曲实验证实：TPMS结构抗屈曲性能最优，应力梯度优化的Gyroid核心展现出最高载荷(993.5MPa)和屈服应力，为航空航天轻量化设计提供新思路。

　　

在航空航天领域，金属夹层结构因其出色的比强度和耐高温性能成为关键部件，但传统钎焊工艺存在几何复杂度受限和孔隙缺陷等问题。电子束粉末床熔融(EB-PBF)技术为一体化制造复杂拓扑结构的金属夹层提供了新可能，然而关于不同核心构型在弯曲载荷下的性能差异仍缺乏系统研究。华盛顿大学(University of Washington)机械工程系的研究人员通过创新设计解决了这一难题。

研究团队选取Ti-6Al-4V合金，采用EB-PBF技术一体化制备了四种核心构型的夹层结构：Octet和Kelvin桁架结构，以及Gyroid和Primitive三周期极小曲面(TPMS)。通过密度法(SIMP)和冯·米塞斯应力最小化策略对核心厚度进行功能梯度优化，结合ASTM C393标准开展四点弯曲实验，系统评估了不同构型的抗弯性能。论文发表在《Materials》期刊，为航空航天轻量化设计提供了重要数据支撑。

关键技术方法包括：1) 基于nTopology平台的隐式建模技术实现复杂晶格参数化设计；2) 电子束粉末床熔融(EB-PBF)一体化成形技术；3) 密度法(SIMP)与应力场驱动的厚度梯度优化策略；4) ASTM C393标准的四点弯曲实验方法；5) 扫描电镜(SEM)和光学显微镜表征技术。

【3.1 试样制备】
EB-PBF制备的试样展现出优异的尺寸稳定性，水平打印件平均收缩率仅0.61%。显微组织分析显示典型的α+β魏氏组织，水平打印件呈现沿构建方向生长的柱状晶，垂直打印件则显示等轴晶特征。

【3.2.1 FEA模型】
有限元分析预测：应力梯度优化可使节点超屈服比例从30kN延迟至40kN，TPMS结构应力分布更均匀。Gyroid在30kN载荷下仅2%节点超屈服，显著优于Octet(15%)。

【3.2.2 应力-应变结果】
实验数据表明：Gyroid应力梯度结构表现最优，最大载荷达993.5MPa，比均匀核心提高23%。TPMS结构抗屈曲能力突出，而桁架结构Kelvin刚度最低(仅TPMS的50%)。

【3.2.3 断口分析】
SEM显示断口均为韧窝形貌，无未熔合缺陷。TPMS结构多发生下面板拉伸断裂，而桁架结构以核心屈曲破坏为主。应力梯度使Gyroid破坏应变降低37%，但强度提升显著。

研究结论表明：1) TPMS核心(尤其Gyroid)抗屈曲性能最优，最大载荷比桁架结构高42%；2) 应力梯度优化使刚度提升20%，且不影响失效模式；3) 垂直打印件表现出更高脆性，破坏应变降低28%。该研究为航空航天领域轻量化设计提供了重要指导：通过EB-PBF一体化成形和拓扑优化，可突破传统制造限制，实现性能导向的金属夹层结构设计。TPMS结构与应力梯度优化的结合，为高承载-轻量化需求场景提供了创新解决方案。