《Materials & Design》：Impact of processing-induced geometric imperfections on the compressive response of PBF-LB/M-fabricated Zr-based bulk metallic glass lattices
编辑推荐：
•以非晶态为主的锆基块体金属玻璃（bulk metallic glass, BMG）点阵得以保留，尽管非晶分数随支柱直径增加而降低。
•增加支柱直径使压缩响应由渐进式胞元层坍塌转变为峰值后突然失效。
•理想化点阵几何系统性地高估了刚度，表明仅名义拓扑和相对密度
•以非晶态为主的锆基块体金属玻璃（bulk metallic glass, BMG）点阵得以保留，尽管非晶分数随支柱直径增加而降低。
•增加支柱直径使压缩响应由渐进式胞元层坍塌转变为峰值后突然失效。
•理想化点阵几何系统性地高估了刚度，表明仅名义拓扑和相对密度不足以进行可靠预测。
•实测支柱波纹度（waviness），而非仅直径校正，对于再现实验观察到的压缩响应至关重要。
块体金属玻璃（bulk metallic glass, BMG）兼具高强度、高硬度和较大的弹性应变极限，适合作为结构部件，但其临界冷却速率限制可制造尺寸和几何复杂度，且损伤容限有限，因而限制结构应用。激光粉末床熔融（laser powder bed fusion of metals, PBF-LB/M）通过局部熔化和快速冷却，可制造超出传统铸造尺寸限制的复杂非晶部件，Zr基BMG已实现致密、大非晶和高力学性能部件。然而，PBF-LB/M BMG的损伤容限仍差，可获得塑性应变有限；参数优化、降低氧污染和孔隙管理可改善力学响应，但塑性应变仍普遍有限。因此，研究人员转向几何架构，周期点阵可通过拓扑、相对密度、支柱细长比和坍塌模式调控宏观响应，并可能提供架构介导伪塑性。对BMG而言，分布裂纹萌生、渐进胞元层坍塌和几何控制载荷重分配可能提供伪塑性，细长点阵还可能利用尺寸效应。但已有研究主要关注可加工性、拓扑和全局力学性能，对as-built力学响应的预测描述不足。细长BMG点阵中，倾斜和下表面暴露于局部改变的热边界，影响熔池稳定、尺寸精度和非晶态保留；垂直薄支柱可保留高非晶分数，而悬垂支柱和节点更易结晶。直径分散、非理想节点形成和支柱波纹度等PBF-LB/M固有几何缺陷可影响刚度、应力集中和坍塌起始。名义CAD模型常不能准确重现制造点阵，μCT衍生节点缺陷、支柱形状偏差等可改善数值预测。但BMG点阵中简化梁模型、名义3D有限元、几何信息或代表体积元方法的相对预测价值尚未系统评估。研究人员因此制造体心立方（body centered cubic, BCC）Zr基BMG点阵试样，结合实验和逐步提高几何保真度的有限元模型，比较解析刚度、1D梁、理想3D实体和μCT信息3D缺陷模型（含支柱直径分散和波纹度），以确定预测as-built BMG点阵压缩响应所需的几何保真度，并连接PBF-LB/M加工、非晶相保留、加工缺陷、压缩响应和建模。
关键技术方法（不超过250字）：采用Zr
59.3Cu
28.8Al
10.4Nb
1.5（at.%，AMZ4/ZR01，Heraeus AMLOY Technologies GmbH）粉末，粒径10–45 μm，氧703±16 μg/g。SLM 280 HL 1.0系统双700 W激光、光束直径约70 μm，圆形轮廓扫描直径100 μm，制造BCC单胞高2.75 mm、4×4×4、两侧0.6 mm板。六种激光功率/扫描速度各5件；选70 W/600 mm/s进行μCT（micro-computed tomography，微计算机断层扫描；Phoenix Nanotom M，140 kV，200 μA，1600投影，体素约6 μm）。准静态压缩速率1 mm/min（1.5×10
?3 s
?1），DSC（differential scanning calorimetry，差示扫描量热法）评估非晶分数。FE采用E=87 GPa、屈服1.6 GPa、ν=0.35；1D Timoshenko B32梁、3D C3D4四面体、μCT信息模型基于64支柱直径与波纹度，正弦扰动加B样条。
3.1 几何特征、非晶分数与压缩行为：通过密度/质量比较、DSC、准静态压缩和SEM断口分析，研究人员得出，PBF-LB/M可制造低密度Zr基BMG BCC点阵并保留以非晶为主结构。质量基相对密度为1.58%–7.26%，随支柱直径非线性增加；最薄187 μm名义与实测密度接近，厚至328 μm偏差约17%。DSC显示玻璃转变约666 K、超冷液相区、748 K结晶放热峰；结晶焓随直径降低，非晶分数降低，187 μm和223 μm超过90%，最厚约337 μm约71%；倾斜点阵比垂直支柱结晶略高。压缩曲线初始线性，峰值随直径增大；直径≤274 μm点阵呈渐进阶梯坍塌，厚支柱呈峰值后突然失效。断口主要在支柱交叉或附近，支持节点主导失效；70 W/600 mm/s可见多个剪切带，表明有限固有塑变。σ
max随直径单调增加，尽管结晶分数增加，说明几何强化超过非晶分数降低的影响；ε
nl,inh最高约2%，ε
nl,50更大，结合后非线变可>7%，归因于局部剪切带和架构介导伪塑性。
3.2 点阵刚度的解析与名义有限元预测：通过Gibson-Ashby模型、Euler-Bernoulli校正梁公式及1D梁和3D实体FE与实验比较，研究人员发现，Gibson-Ashby高估刚度240%–430%，校正模型仍低估22%–39%。1D梁和3D实体重现随直径增加的趋势；小变形和高长径比时一致，梁模型低估刚度和峰值强度，且无法解析节点局部失效。理想3D实体与实验偏差显著，宏观非线性起始偏差97.2%，表观杨氏模量偏差199.7%。由于部分结晶会增加BMG刚度，因此几何理想化而非结晶是主要偏差来源。
3.3 μCT信息缺陷模型：通过μCT表征70 W/600 mm/s试样并进行缺陷参数化FE，研究人员得出，平均支柱直径263±18.6 μm，DMin 235 μm、DMax 295 μm，单一名义直径不足以描述as-built点阵。DMin、DMean、DMax实体模型均高估应力响应，DMin最接近仍高估。波纹度统计为A
max 41.1±18.7 μm、A
RMS 21.1±9.6 μm。将扫描推导波纹度加入DMin几何后，模拟响应接近实验初始刚度和宏观非线性起始，显著改善一致性。波纹度因引入压缩下附加弯矩而降低有效刚度，是控制初始柔度的一阶几何缺陷；结晶增加刚度，不能解释实验低响应，均质模量变化相对波纹度次要。局限包括未空间分辨结晶、未重建节点形态、统计缺陷描述仅针对一个配置校准、不可泛化；波纹度会随曝光参数和单元结构变化，低能量可能未熔合，高能量可能减小波纹度；未来需更广泛验证和节点断裂建模。
讨论总结：讨论强调支柱波纹度与直径分散必须纳入FE才能可靠预测as-built BMG点阵；节点缺陷和局部相状态仍需未来研究。研究结论翻译：本研究证明PBF-LB/M可制造低密度Zr基BMG BCC点阵试样，具有主要非晶结构和架构依赖压缩行为。非晶分数随支柱直径增加而降低，表明点阵尺度BMG特征对局部热条件敏感。压缩下，薄支柱点阵表现为渐进阶梯坍塌，伴随有限固有塑性和额外架构介导伪塑性；厚支柱点阵失效更突然。断口表明失效主要在支柱交叉处或附近萌生，支持节点主导失效机制。经典Gibson-Ashby型刚度预测和名义FE模型仅重现随相对密度和支柱直径的定性趋势。定量预测as-built响应需要显式考虑加工诱导缺陷。对于μCT表征点阵，仅直径分散不足以重现实验应力-应变响应，而纳入扫描推导支柱波纹度使模拟响应接近实测初始刚度和宏观非线性起始。结果因此确定支柱波纹度连同直径分散，是控制所研究BMG点阵表观柔度的一阶几何因素。总体，PBF-LB/M制备BMG点阵的可靠模型设计需要缺陷信息FE描述，并在点阵密度、节点几何和局部非晶/结晶相状态方面进一步验证。主要结论：Zr基BMG BCC点阵试样相对密度1.58%–7.26%，在参数范围内保留主要非晶结构；非晶分数随支柱直径增加而降低，薄支柱>90%，最厚约71%；薄支柱压缩呈渐进阶梯坍塌并获得固有塑变和架构介导伪塑性，厚支柱峰值后更突然坍塌；断口主要在支柱交叉附近，局部剪切带表明最终断裂前有限固有塑变；经典Gibson-Ashby刚度和名义FE仅重现趋势，不能充分捕捉as-built响应；μCT信息FE纳入直径分散和波纹度后与实验压缩响应显著改善，结论指出表观杨氏模量和宏观非线性起始偏差较小（按结论为6.7%和18.1%）。总体，加工诱导几何缺陷对PBF-LB/M BMG点阵力学响应具有决定性作用，纳入代表性FE模型对可靠性能预测、结构设计和未来模型优化至关重要。
