激光粉末床熔融（LPBF）技术制备仿牦牛角晶格结构：实现Ti6Al4V（TC4）的高强度与能量吸收

《Materials & Design》：Bionic yak horn lattice structures fabricated by LPBF: Achieving high strength and energy absorption in Ti6Al4V

　　

受牦牛角的波纹结构和扭转纤维结构启发，本研究采用激光粉末床熔融（Laser Powder Bed Fusion, LPBF）技术制备了一系列仿生的Ti₆Al₄V（TC4）晶格结构。研究人员以体心立方（Body-Centered Cubic, BCC）和面心立方（Face-Centered Cubic, FCC）结构作为对照组，比较其力学指标和变形模式，从而验证该仿生策略的力学可行性。通过准静态压缩试验和有限元分析，结果表明，BYK结构（BYK1.0–0.8）实现了270.29?MPa的最大压缩强度和59.43?J/g的比能量吸收，这归因于对杆件直径和角度参数的优化。相较于原始结构（BYK0.8–1.0），这些数值分别提高了88.0%和80.38%。此外，基于角度参数和杆件直径，研究人员开发了多种仿生梯度结构。结果表明，梯度结构的压溃力效率（Crushing Force Efficiency, CFE）比均匀晶格高出近40%。这项工作为设计高性能吸能结构提供了有价值的见解，在航空航天和汽车工程领域具有潜在应用前景。

在航空航天和交通运输工程中，由冲击载荷和外部力量引起的结构损伤与失效是亟待研究和解决的关键挑战。随着技术的快速发展，对吸能结构的需求显著增加。然而，通过传统减材制造技术制造的结构通常存在关键局限性，例如重量过大、承载能力不足以及能量吸收效率欠佳。增材制造（Additive Manufacturing, AM）的出现使得设计和制造传统制造技术无法实现的复杂几何形状成为可能。因此，晶格结构因其轻质、高比强度（强度-重量比）和优异的能量耗散能力，已成为有前景的吸能结构。这一进展促使研究重点转向优化晶格构型以提升能量吸收性能，目标是将它们用作安全关键工程应用中的防护部件。

在防护性晶格结构中，体心立方（BCC）和面心立方（FCC）晶格已成为轻量化冲击防护研究中的典型构型。然而，这些基于杆件的结构通常面临一些局限性，例如承载能力不足，无法满足复杂防护场景的实际应用需求。因此，需要通过系统地调整关键参数（如单胞尺寸、杆件直径和单胞形态）来实施有针对性的几何优化策略以提升其力学性能。尽管已有研究通过分类各种拓扑结构和优化相对密度分布来同时提升刚度和能量吸收，但这种方法仍过度依赖人工制定的传统几何规则，限制了其对复杂加载条件的适应性。此外，单胞的均匀性在冲击载荷下不可避免地导致局部失效起始，阻碍了渐进式能量耗散机制。这一关键局限性凸显了在晶格结构开发中需要范式转变的设计策略。近年来，仿生策略的提出为这一问题提供了极具前景的解决方案。

自然界为开发具有优异力学性能的先进结构提供了丰富的设计灵感。将仿生思维与增材制造相结合的方法已获得越来越多的认可，并在汽车和航空航天等领域得到广泛应用。先前的研究已提出模仿牦牛角结构的仿生管，其能量吸收性能超越了传统圆形、方形和锥形管。然而，这些关于仿生防护装置的研究结果仍揭示出关键局限性，特别是压溃力效率欠佳和能量吸收稳定性不足。

近年来，仿生梯度结构的研究取得了显著进展。与均匀结构相比，梯度结构的金属和合金表现出更优异的力学性能，包括强度与断裂韧性之间的卓越协同作用。已有研究开发出受鹿角启发的尺寸分级薄壁结构，其比能量吸收分别是圆柱形和分形蜘蛛网结构的2.17倍和1.29倍，同时实现了91.54%的压溃力效率。另一项研究基于竹维管束梯度的层级分布开发了梯度层级多胞柱，其能量吸收比方形管提高了10.1%。显然，将仿生梯度与增材制造相结合的方法在防护结构中展现出巨大的应用潜力，为本研究中仿生梯度结构的设计提供了新的见解和灵感。

本研究选择牦牛角作为仿生原型，使用激光粉末床熔融（LPBF）技术制造了一系列Ti₆Al₄V（TC4）仿生抗冲击晶格结构。通过结合实验和模拟的方法，对仿生结构的力学性能进行了综合分析，随后进行了参数优化和仿生梯度设计。本研究的目标是设计出轻质、高强度且具有高比能量吸收的防护性晶格结构。该论文发表在《Materials》期刊上。

研究人员为开展研究主要运用了以下几个关键技术方法：首先，基于牦牛角的微观结构特征（包括径向波纹结构和纵向纤维的扭转角度），进行仿生晶格结构（BYK）的参数化设计，通过调整杆件直径（t）和角度参数（c）生成九种均匀结构。其次，采用激光粉末床熔融（LPBF）增材制造技术，使用预合金TC4粉末制备所有结构试样。第三，通过准静态压缩试验获取结构的力-位移响应，并依据相关标准（如GB/T 7314）计算能量吸收（EA）、比能量吸收（SEA）、平均压溃力（MCF）和压溃力效率（CFE）等关键耐撞性指标。最后，建立有限元模型，采用经校准的Johnson-Cook本构模型和失效模型参数，在Abaqus软件中进行准静态压缩模拟，以分析变形模式和应力分布，并与实验结果进行对比验证。

**3. 结果与讨论**
**3.1. 仿生结构的力学性能验证**
在不同杆件直径（0.6 mm, 0.8 mm, 1.0 mm）下，BCC、FCC和BYK结构的应力-应变曲线和变形过程表明，BYK的压缩强度均显著高于BCC和FCC。具体而言，BYK的压缩强度分别比BCC高出392.06%、241.70%和183.10%，比FCC高出35.46%、12.66%和21.95%。在能量吸收方面，BYK的总能量吸收（EA）和比能量吸收（SEA）也全面优于BCC和FCC结构。这表明本研究的仿生结构设计具有显著的力学可行性，有效解决了传统晶格结构通常存在的力学性能局限。

**3.2. 仿生结构的压缩试验**
**3.2.1. 均匀结构的力学性能与模拟**
通过固定角度参数改变杆件直径，以及固定杆件直径改变角度参数的实验与模拟应力-应变曲线分析发现，杆件直径增加会提升结构峰值应力，但过大的杆件直径会导致过早致密化，降低致密化应变。角度参数增加则会导致峰值应力降低和致密化应变减少。对三个代表性BYK结构（BYK0.8–0.8, BYK0.8–1.0, BYK1.0–1.0）的变形模式和模拟应力分布的比较显示，具有较大螺旋角的结构表现出更平滑稳定的变形特征和更均匀的应力传导，通常从中部区域开始变形；而螺旋角较小的结构则在底层过早发生扭转过载，导致不规则变形模式。实验与模拟曲线之间的差异进一步验证了工艺引起的几何缺陷对力学性能的影响。

**3.2.2. 梯度结构的力学性能与模拟**
梯度结构（分为角度参数梯度BYK-gc系列和杆件直径梯度BYK-gt系列）的应力-应变响应表明，虽然其初始峰值力并不特别突出，但随着压缩变形进行，结构抗压性在后期呈现上升趋势。当结构具有角度参数梯度时，其力学性能随杆件直径增加而改善；而当结构具有杆件直径梯度时，角度参数对结构的承载能力和能量吸收性能影响甚微。对梯度结构在10%、25%和40%应变下的实验与模拟变形模式对比分析显示，BYK-gc系列从底部（角度参数大、扭转角大）开始发生扭转变形，而BYK-gt系列则从顶部（杆件直径最小）开始首先承载并失效，产生塑性扭转。这种逐层压溃的方式表现出更优异的能量吸收、承载能力和更高效的破碎性能。

**3.3. 耐撞性参数比较**
对不同结构的能量吸收（EA）、比能量吸收（SEA）、平均压溃力（MCF）和压溃力效率（CFE）进行了比较。在均匀晶格结构中，BYK1.0–0.8结构表现出最优的EA、SEA和MCF，分别为206.12?J、59.43?J/g和26.22 kN。而CFE最高的结构是BYK1.0–1.2，达到82.61%。增加杆件直径会提升结构的EA、SEA和MCF值，而增大角度参数c既不能增强承载能力，也无法改善能量吸收性能，但能通过促进螺旋肋更早旋转和相互接触，产生更均匀的变形，从而提高压溃效率并稳定压缩变形和能量吸收过程。在均匀晶格结构中，CFE值通常与角度参数c呈正相关。

在梯度结构中，角度参数梯度结构BYK1.0-gc的综合性能最佳，其EA、SEA、MCF和CFE分别为193.07?J、55.79?J/g、31.86 kN和123.88%。在杆件直径梯度结构中，BYKgt-0.8结构（除CFE外）表现最优，其EA、SEA和MCF分别为103.34?J、40.62?J/g和16.16 kN；而BYKgt-1.2结构的CFE最高，达到115.04%。通过采用梯度结构设计（冲击端杆件直径较小，固定端杆件直径较大，且优先让螺旋角较大的部分承载），可以降低初始峰值力（PCF），从而使CFE值超过1。与文献中其他结构进行Ashby图对比表明，本研究的BYK结构在比能量吸收和屈服强度方面处于前沿水平。

总之，仿生梯度设计赋予晶格结构更优异的抗冲击性。相对于传统的均匀结构，其主要优势在于通过定制的刚度梯度分布实现渐进变形区的精确调控，从而显著提升压溃力效率（CFE）。动态力学测试结果也表明，均匀和梯度结构均表现出优异的抗冲击性。

**4. 结论**
研究人员对研究结论总结如下：
(1) 在杆件直径t = 0.6 mm、0.8 mm和1.0 mm下，BYK的压缩强度分别比BCC高出392.06%、241.70%和183.10%，比FCC高出35.46%、12.66%和21.95%，并且表现出更稳定的变形模式，从而证实了仿生方法在提升力学性能方面的可行性。
(2) BYK1.0–0.8表现出最优性能，其EA和SEA值分别达到206.12?J和59.43?J/g。BYK1.0–1.2结构实现了最高的CFE，其CFE值为82.61%。增加角度参数c使得结构的压溃行为更加渐进，显著降低了峰值应力，并加速了结构致密化。
(3) 仿生梯度策略显著降低了峰值力，同时提高了CFE。BYK1.0-gc结构实现了最高的CFE值123.88%，比性能最好的均匀结构（BYK1.0–1.2）高出40.43%。