工艺诱导微观组织与表面粗糙度对Ti-6Al-4V点阵结构压缩变形及失效行为的耦合影响：LPBF与EBPBF对比

《Journal of Materials Research and Technology》：Impact of Process-Induced Microstructure and Surface Roughness on the Compressive Deformation and Failure Behavior of Ti-6Al-4V Lattice Structures: LPBF vs. EBPBF

　　

与EBPBF相比，LPBF在Auxetic和Tesseract点阵中的首次峰值应力（first peak stress）高48–51%。EBPBF支柱的算术平均粗糙度（R_a）约为LPBF支柱的2.3倍。LPBF Dode-thin在其个体应变极限下获得最高名义比吸能（specific energy absorption, SEA）。以承载直径d ? R_z计算时，五种点阵的有限元（finite element, FE）/试验比值（FE/test）为1.04–1.10。实测支柱表面对峰值弯矩的降低作用在EBPBF中大于LPBF。

Yunji Park等围绕增材制造（additive manufacturing, AM）Ti-6Al-4V点阵结构在航空航天和生物医学应用中的潜力，指出粉末床熔融（powder bed fusion, PBF）点阵的力学响应并非仅由拓扑决定，而受工艺诱导微观组织、晶体织构、表面粗糙度和几何缺陷共同控制。已有研究多分别考察拓扑、体积分数、微观组织或表面缺陷，较少在相同拓扑下直接比较激光粉末床熔融（laser powder bed fusion, LPBF）与电子束粉末床熔融（electron beam powder bed fusion, EBPBF），并将压缩行为与电子背散射衍射（electron backscatter diffraction, EBSD）织构、压缩后晶体学演化及含实测表面的力学建模联系；同时，名义CAD几何的有限元（finite element, FE）模型难以分离工艺代表性表面粗糙度造成的局部力学惩罚。为此，研究人员制备Auxetic、Dode-thin和Tesseract三种Ti-6Al-4V单胞点阵，沿垂直于建造方向的横向进行准静态压缩，表征表面粗糙度、微观组织、织构、压缩响应、崩塌序列和断口形貌，并以每个工艺一个校准参数开展点阵尺度FE比较，采用实测表面单支柱模型比较表面形貌和工艺材料响应，结合EBSD织构与Schmid因子（Schmid factor）分析压缩前后代表性晶体学变化。研究得出：LPBF首次峰值应力较高但后峰失稳更尖锐，EBPBF表面更粗但局部塑性协调更渐进；拓扑与工艺共同决定峰值强度、后峰稳定性和名义比吸能（specific energy absorption, SEA）；首次峰值与承载截面接近d ? R_z的描述相符。该研究的意义在于将拓扑设计与制造路线作为耦合变量，为工艺感知的点阵结构设计与后处理策略提供依据。

关键方法概括（不超过250字）：制备Auxetic、Dode-thin、Tesseract单胞点阵（节距10 mm、名义支柱直径1.0 mm）；LPBF采用SLM 280系统，EBPBF采用Arcam Q10+系统；以场发射扫描电子显微镜（field-emission scanning electron microscopy, FE-SEM）、共聚焦激光扫描显微镜（confocal laser scanning microscopy, CLSM）、X射线衍射（X-ray diffraction, XRD）、光学显微镜（optical microscopy, OM）和EBSD表征；室温准静态压缩参照ASTM E9和ISO 13314；Abaqus/Explicit点阵FE以每个工艺的断裂能G_f校准，并重构实测表面单支柱进行弯曲FE。样本来源为Ti-6Al-4V粉末（LPBF 15–53 μm，EBPBF 50–150 μm）；LPBF每拓扑另制3件用于重复性评估，EBPBF每拓扑1件。

研究结果：3.1 制造保真度与表面粗糙度：通过微计算机断层扫描（micro-computed tomography, μCT）、SEM和CLSM发现两种工艺均复制单胞结构，LPBF支柱轮廓更清晰，EBPBF支柱增厚且表面更粗；LPBF的R_a=15.48 μm、最大高度R_z=101.89 μm，EBPBF的R_a=35.54 μm、R_z=188.67 μm，EBPBF的R_a约高2.3倍；LPBF附加件质量相对CAD偏差分别为?5.77%、+0.29%、?0.84%（Auxetic、Dode-thin、Tesseract）。3.2 微观组织表征：OM、EBSD和XRD显示LPBF为细针状α′样板条（长20.46±8.95 μm、宽0.91±0.30 μm、长宽比25.02±13.98），EBPBF为较粗α+β样层片集落（长11.81±5.40 μm、宽1.08±0.46 μm、长宽比12.21±6.57）；LPBF取向连续性更强，EBPBF取向更分散；XRD仅用于α/α′定性评估。3.3 压缩响应与能量吸收：压缩曲线和SEA表明LPBF Auxetic、Tesseract首次局部峰值应力比EBPBF高约48–51%，Dode-thin仅差约3%；Tesseract最高（LPBF 229 MPa，EBPBF 155 MPa），但LPBF Tesseract后峰陡降；LPBF Dode-thin在其能量效率法应变极限（ε_EE）=61.7%时名义SEA最高，为6.94 J g^?1；在10%和15%名义压缩应变下LPBF Tesseract最高（2.66和3.35 J g^?1），20%时EBPBF Tesseract最高（3.69 J g^?1）；LPBF全局最大应力变异系数（coefficient of variation, CV）为3.4%、8.6%、5.7%。3.4 崩塌序列、校准FE比较与断口形貌：实验图像与FE显示Dode-thin以分布屈曲为主，Auxetic和Tesseract易在节点区局域崩塌；名义几何FE高估首次峰值载荷（F_pk1）1.43–2.03倍，后峰平均载荷相对值（R_post）为试验的0.87–1.05；SEM断口显示LPBF见孔洞、局部平坦区和节点-支柱连接失效，EBPBF见粗糙断口、烧结粉末团聚和分离支柱端；3.4.1校准比较、3.4.2网格敏感性与胞数效应、3.4.3断口形貌进一步支持拓扑控制主崩塌模式、工艺影响后屈服稳定性的判断。3.5 含实测表面的单支柱：3.5.1重构支柱显示EBPBF表面算术平均高度（S_a）为29.5–39.1 μm，LPBF为11.2–14.4 μm；最小内接直径EBPBF为0.811–0.863 mm，LPBF为0.913–0.929 mm，与d ? R_z接近。3.5.2弯曲响应显示EBPBF表面使峰值弯矩（M_pk）降低6.6–10.5%，LPBF表面降低1.6–3.5%；EBPBF材料模型的M_pk为LPBF的0.94–0.95。3.5.3材料与表面贡献显示仅交换材料模型时EBPBF/LPBF首次峰值比为0.94，仅交换表面为0.935–0.939，二者同换为0.885；按d ? R_z下界描述，FE/试验比为1.04–1.10，Auxetic和Tesseract的EBPBF/LPBF首次峰值比为0.69，接近试验的0.66–0.67。

讨论部分表明：LPBF的细针α′样组织和较强取向连续性提高强度，但可能限制塑性协调；EBPBF的较粗α+β样层片集落和较分散取向有利于渐进局部塑性协调。压缩后EBSD在LPBF Auxetic代表性区域显示板条旋转和局部织构集中，取向分布函数（orientation distribution function, ODF）最大强度约由24.5升至47.9，Schmid因子空间异质性增加。拓扑会放大工艺效应：Tesseract初始承载高但节点局域崩塌导致后峰不稳，Dode-thin通过分布屈曲维持较宽平台，Auxetic居中。FE表明名义几何可校准后峰响应，但首次峰值需考虑承载截面；d ? R_z描述与试验更接近，EBPBF表面引起的弯矩降低大于截面模量预期。设计上应将拓扑与制造路线耦合：LPBF有利于初始抗崩塌，但可考虑后热处理改善塑性协调；EBPBF需重视化学蚀刻、抛光或喷砂等表面处理。局限包括EBPBF每拓扑仅1件、单胞结果外推受限、SEA为基于CAD体积和标准密度的名义值、材料模型基于单次拉伸且未计入各向异性、实测表面来自垂直Tesseract支柱、内部缺陷未显式纳入、三种拓扑名义相对密度未匹配。

研究结论翻译：（1）LPBF与EBPBF产生不同表面和微观组织状态；LPBF支柱表面更光滑并呈细针状α′样板条，EBPBF支柱表面更粗糙并具阶梯特征、烧结粉末团聚和较粗α+β样层片集落，R_a由LPBF的15.48 μm增至EBPBF的35.54 μm。（2）LPBF首次局部峰值应力高于EBPBF，Auxetic和Tesseract约高48–51%，Dode-thin仅约高3%，LPBF Tesseract最大达229 MPa；该强度优势伴随易局域崩塌拓扑中更尖锐的后峰失稳。（3）拓扑和名义相对密度共同影响首次局部峰值应力与名义SEA的平衡；Tesseract首次局部峰值应力最高，Dode-thin平台更宽；LPBF Dode-thin在其个体ε_EE下名义SEA最高（6.94 J g^?1），说明分布崩塌可在较宽变形范围内提高累积吸能，而在15%共同名义压缩应变下LPBF Tesseract名义SEA最高（3.35 J g^?1），表明吸能排序依赖评价应变。（4）采用实测拉伸性能和每个工艺一个校准断裂能的点阵FE模型给出后峰响应为试验的0.87–1.05，但首次峰值载荷高估1.43–2.03倍；按承载直径d ? R_z缩放后，六种点阵中五种FE首次峰值为试验的1.04–1.10倍，Auxetic和Tesseract的EBPBF/LPBF首次峰值比变为0.69，试验为0.66–0.67。（5）仅材料模型使EBPBF首次峰值降低约6%；实测支柱表面使峰值弯矩降低EBPBF 6.6–10.5%、LPBF 1.6–3.5%。总体而言，Ti-6Al-4V点阵性能受拓扑定义载荷传递、工艺诱导微观组织和表面条件之间的竞争控制；未来需开展EBPBF点阵重复性评估、基于实测质量的跨工艺比较、基于CT的缺陷表征和多胞测试。