激光粉末床熔融Ti6Al4V合金点阵结构参数优化与拉伸性能研究

推荐：本研究针对激光粉末床熔融(LPBF)制备Ti6Al4V合金点阵结构时存在的尺寸偏差、孔隙缺陷等问题，系统探究了工艺参数对结构精度及力学性能的影响。通过X射线断层扫描(CT)和数字图像相关(DIC)技术，揭示了能量密度与结构尺寸的线性关系，优化出FCCZ(0.0064%)和Diamond(0.0070%)结构的最低孔隙率参数，并基于GTN损伤模型成功预测断裂行为，为航空航天轻量化设计提供理论支撑。

　　

在航空航天和汽车工业领域，轻量化设计始终是追求的目标。传统结构材料往往面临重量与强度的矛盾，而点阵结构(lattice structure)因其高比强度、高刚度的特性成为研究热点。然而，这类复杂几何结构的制造精度和力学性能受限于现有增材制造(Additive Manufacturing, AM)技术，尤其是激光粉末床熔融(Laser Powder Bed Fusion, LPBF)过程中产生的尺寸偏差、孔隙缺陷等问题，直接影响其工程应用。

针对这一挑战，华东理工大学机械与动力工程学院的高壮、李彤等团队在《Journal of Materials Research and Technology》发表研究，系统探究了LPBF工艺参数对Ti6Al4V合金点阵结构的影响。研究人员选择两种典型结构——基于支柱的面心立方Z向(Face-Centered Cubic with Z-struts, FCCZ)和基于薄片的金刚石(Diamond)结构，通过X射线断层扫描定量表征尺寸偏差与孔隙分布，结合数字图像相关技术分析拉伸性能，并引入Gurson-Tvergaard-Needleman(GTN)损伤模型预测断裂行为。

关键技术包括：(1)采用nTopology设计5×5×5 mm单元尺寸的FCCZ和Diamond结构；(2)使用iSLM160设备在Ar气氛下进行LPBF成型，参数涵盖激光功率200-400W、扫描速度1000-1600 mm/s；(3)YXLON FF85 CT系统(12.43 μm分辨率)定量分析孔隙率；(4)Instron 5982万能试验机配合VIC-2D系统开展原位拉伸测试；(5)基于ABAQUS/Explicit平台建立含孔隙的GTN有限元模型。

尺寸偏差分析

研究发现实际结构尺寸显著偏离设计值：水平支柱直径最大(超设计值10%)，垂直方向最小(低15%)，45°方向居中。能量密度(E=P/(H·V·T))与尺寸呈线性正相关，如FCCZ水平支柱直径从0.92 mm(20.83 J/mm³)增至1.12 mm(66.67 J/mm³)。这种偏差源于熔池重力下渗导致的椭圆截面(水平支柱)及粉末粘附效应。

孔隙缺陷特征

最优参数下FCCZ(250W-1000mm/s)和Diamond(250W-1200mm/s)孔隙率分别达0.0064%和0.0070%。CT分析显示FCCZ缺陷主要集中于水平支柱下半部，最大等效直径70 μm，球形度0.2-0.8；Diamond结构缺陷更规则(球形度0.5-0.9)，最大直径仅35 μm。

拉伸性能差异

FCCZ表现出最高抗拉强度(140.71 MPa)，断裂始于拉伸方向节点；HSC结构(120.59 MPa)失效于垂直-水平板连接处；Diamond结构(106.05 MPa)则在平行区域断裂。DIC应变场证实应力集中区域与断裂位置高度吻合。

GTN模型验证

有限元模拟与实验误差<10%，成功预测FCCZ节点(146.63 MPa)、HSC连接处(131.87 MPa)和Diamond平行区(102.21 MPa)的断裂起始点。GTN参数中初始孔隙率(f₀=0.006%)的引入显著提升预测精度。

该研究不仅为LPBF制备点阵结构提供了参数优化准则，更通过多尺度表征与建模相结合，建立了工艺-缺陷-性能的关联框架。特别值得注意的是，针对不同几何构型需采用差异化参数策略的发现，打破了传统"一刀切"的工艺优化思路。GTN模型对断裂行为的准确预测，为复杂结构的可靠性评估开辟了新途径，对航空航天轻量化构件设计具有重要指导价值。