梯度结构无序化诱导多孔Ti-6Al-4V合金实现各向同性高能量吸收行为

本研究针对多孔Ti-6Al-4V合金在航空航天和生物医学应用中存在的机械各向异性和局部应力集中问题，通过激光粉末床熔融(L-PBF)技术设计梯度无序多孔结构。采用梯形-菱形十二面体单元构建梯度无序层(1-4层)，实验表明该设计使能量吸收能力沿y轴提升600%、x轴提升300%，同时将归一化杨氏模量和能量吸收的各向异性分别降低96%和93%。有限元模拟证实该结构能抑制剪切带发展并实现均匀应力分布，为开发高性能轻量化材料提供了新策略。

　　

多孔钛合金因其轻质高强的特性，在航空航天和生物医学领域展现出巨大应用前景。然而这类材料长期面临两大技术瓶颈：一是机械性能存在显著方向依赖性，不同加载方位会呈现完全不同的力学响应；二是高应力集中导致局部过早失效，严重影响结构可靠性。传统解决方案往往顾此失彼——有序结构虽强度高但各向异性明显，无序结构虽各向同性却强度不足。如何突破这种"鱼与熊掌不可兼得"的困境，成为材料科学家们亟待解决的难题。

来自湖北隆中实验室的Shiyue Guo、Rusheng Zhao等研究团队在《Results in Engineering》发表创新研究，提出"梯度结构无序化"的设计理念。研究人员采用激光粉末床熔融(L-PBF)技术，以梯形-菱形十二面体(TRD)为基本单元，通过高斯分布调控种子点位移，构建出具有1-4个梯度无序层(L1-L4)的多孔Ti-6Al-4V合金。通过引入数学定义的规律性系数R（1为完全有序，0为完全无序），实现了结构无序程度的精确控制。

研究主要采用三类关键技术：通过3D Voronoi镶嵌算法生成梯度无序的CAD模型；使用EOSINT-M290系统进行L-PBF成型，激光功率290W，层厚40μm；结合准静态压缩实验（ISO 13314标准）和有限元分析（Ansys Workbench 2024R1），采用Johnson-Cook本构模型模拟塑性变形。

2.1 机械行为表征

研究建立归一化杨氏模量E=E(ρ/ρ_S)²和初始峰值应力σ_p=σ_p(ρ/ρ_S)^1.5的数学模型，揭示相对密度对力学性能的非线性影响。能量吸收W_V=∫₀^ε_Dσdε通过积分应力-应变曲线计算，其中ε_D定义为50%压缩应变。

2.2 梯度无序细胞几何生成

通过控制种子点位移δx_i=x-l（l为高斯分布均值）实现结构扰动，计算平均偏移距离r_m=(1/m)∑r_i量化无序程度。当R=0.2时结构接近完全无序，而R=0.8保持高度有序特征。

3.1 形态学分析

L-PBF制备的样品实测孔隙率与理论设计偏差<5%，扫描电镜显示存在部分未熔融粉末团聚体，这是激光能量密度不均导致的典型工艺特征。电子背散射衍射(EBSD)显示晶粒尺寸在Z-Y面为12.88±7.94μm，呈现轻微的各向异性。

3.2 压缩载荷下的力学性能

有序结构(R=1)展现强烈各向异性：z轴E^*达7.8GPa，是x轴的3.5倍。引入梯度无序层后，R=0.6的L3结构使x/y轴能量吸收提升300%，同时将各向异性降低85%。有限元模拟显示有序结构中应力集中位于节点处，而梯度设计使应力均匀分布在多个细胞层。

3.3 方向归一化力学分析

关键发现是R=0.2的L4结构实现96%各向异性降低，使E在x/y/z轴的差异从72.37%降至1.62%。能量吸收W_V呈现非线性增长，在R=0.4时y轴吸收能力提升600%，远超传统BCC晶格111%的文献值。

4.4 与现有研究的对比分析

梯形-菱形十二面体梯度结构的性能优势显著：相比TPMS和Gyroid结构，其σ_p各向异性降低93%，W_V各向异性降低96%。这种优异的均质化效果源于梯度无序层对剪切带的抑制作用，使变形模式从局部化剪切转变为分布式塑性铰链。

该研究通过创新性地组合有序框架与可控无序特征，成功解决了多孔金属"强度-各向同性"的权衡难题。梯度无序设计使Ti-6Al-4V合金同时实现：600%的能量吸收提升、96%的各向异性降低、以及更均匀的应力分布。这些突破不仅为航空航天轻量化结构提供新方案，更为骨科植入物设计开辟新途径——植入体可同时匹配骨组织的力学性能并促进营养传输。研究建立的"规律性系数R"量化体系，为增材制造领域提供了一种普适性的结构优化方法。未来通过引入原位监测和机器学习算法，有望实现梯度无序架构的智能化设计，进一步推动多功能材料的发展。