PBF-EB/M成形Ti-6Al-4V TPMS架构的能量吸收与力学性能

《Materials Today Communications》：Energy Absorption and Mechanical Performance of PBF-EB/M-Fabricated Ti-6Al-4V TPMS Architectures

　　

本研究探讨了采用粉末床电子束熔融（PBF-EB/M）成形的Gyroid与Diamond拓扑Ti-6Al-4V三周期极小曲面（TPMS）结构的力学行为及能量吸收特性。研究人员制备了壁厚分别为2.0、2.5和3.0 mm的试样，在准静态压缩下进行评估，并采用经数字图像相关（DIC）拉伸试验标定的弹粘塑性本构模型进行模拟。结果表明响应具有强烈的拓扑与厚度依赖性。2.0 mm试样展现出最高抗拉强度，而3.0 mm试样强度较低，断口伴随更多未完全熔合颗粒与平面不连续。压缩下Gyroid晶格呈现渐进折叠与稳定平台应力，Diamond结构则表现为更高初始刚度后发生剪切主导塌陷；Diamond提供更大能量吸收与承载，Gyroid峰值力更低且塌陷更平滑。数值模型预测峰值力与能量吸收偏差低于10%。该研究为PBF-EB/M TPMS晶格的预测性设计提供了验证框架，优化其作为先进吸能构件的应用。

研究背景方面，架构化多孔材料因高比刚度、高强度重量比及可控能量吸收，在航天、汽车与防护结构中应用广泛。其中三周期极小曲面（TPMS）以光滑连续曲面取代桁架点节点，利于分布变形与稳定压溃。增材制造特别是粉末床熔融实现复杂TPMS几何；Ti-6Al-4V因高比强度、疲劳与耐腐蚀及工艺成熟被选作结构吸能件材料。PBF-EB/M在真空与预热粉床下残余应力低，促发韧性片层α+β组织，且轻烧结粉床可支撑悬垂内部表面，故优于激光PBF-LB/M。已有研究多基于理想CAD与名义块体性能，缺工艺代表性材料数据与实验验证，尤其PBF-EB/M Ti-6Al-4V TPMS实验验证有限。为此研究人员开展集成实验与数值研究，关联厚度依赖材料行为、制造质量与两种对比拓扑的能量吸收。

关键技术方法方面，研究人员选取sheet-based Gyroid（弯曲主导）与Diamond（拉伸主导）两种TPMS，壁厚2.0、2.5、3.0 mm，由PBF-EB/M成形Ti-6Al-4V；以DIC辅助拉伸试验获取工艺代表性材料参数，嵌入损伤耦合弹粘塑性本构模型；对全尺寸试样做准静态压缩实验，用有限元复现力-位移、塌陷机制与耐撞指标，模型偏差控制在10%内。

研究结果部分，按原文小节归纳如下。引言指出TPMS拓扑依赖性强：Gyroid常伴渐进折叠与平滑压溃，Diamond刚度与承载更高但后峰软化与剪切局部化明显，二者互补适评稳定变形、峰值力与吸能权衡。几何假设节给出Gyroid隐式方程U_G=cos(2πn_xx/L_x)sin(2πn_yy/L_y)+cos(2πn_yy/L_y)sin(2πn_zz/L_z)+cos(2πn_zz/L_z)sin(2πn_xx/L_x)?t与Diamond对应方程，确立sheet-based周期曲面设计基准。材料与方法中 tensile testing with DIC 标定出工艺态Ti-6Al-4V弹粘塑性参数并加入损伤项；压缩实验采用准静态位移控制。结果显式：2.0 mm试样抗拉最强，3.0 mm因部分熔融粒子与平面断口不连续致强度下降；压缩中Gyroid呈渐进折叠与平台应力稳定，Diamond初刚度高而后剪切带塌陷，后者能量吸收与峰值承载更大，前者峰值力低、塌陷平滑；数值模型对峰值力与SEA预测误差<10%。研究人员在讨论中将厚度效应归为缺陷密度与断口形貌变化，将拓扑差异归为弯曲主导vs拉伸主导变形模式，认为PBF-EB/M的α+β片层与低残留应力是实验可重复性的微结构基础。结论部分翻译为：本研究呈现了PBF-EB/M成形Ti-6Al-4V Gyroid与Diamond在2.0/2.5/3.0 mm壁厚下的实验-数值联合框架；工艺代表性拉伸参数经DIC标定并耦合损伤本构，准静态压缩验证显示模型峰值力与能量吸收偏差低于10%；Gyroid适需低峰值力平滑塌陷场景，Diamond适需高承载高吸能场景；该验证框架支持PBF-EB/M TPMS作为先进吸能件的预测性设计。论文发表于《Materials Today Communications》。