采用激光粉末床熔融技术制备的SiC三周期最小表面陶瓷晶格结构的低周疲劳性能

《International Journal of Fatigue》：Low cycle fatigue performance of SiC triply periodic minimal surface ceramic lattice structures fabricated by laser powder bed fusion

　　

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  采用激光粉末床熔化（LPBF）和液态硅胶渗透（LSI）技术制备了均匀和渐变的SiC TPMS陶瓷晶格。
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  SiC晶格的低周疲劳失效主要由阶梯形变形主导。
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  Y轴渐变的Gyroid晶格具有更小的应变和更长的疲劳寿命。
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  渐变结构的疲劳强度高于均匀晶格。
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  应力重分布和抗裂性提高了结构的疲劳性能。

引言

碳化硅（SiC）陶瓷晶格结构（CLSs）因其轻质、高机械强度和区域特定的抗应力性能而备受关注，这使得它们在航空航天和国防等领域具有广泛应用[1]，[2]。正是由于这些优点，它们成为了先进结构材料研究的重点[3]，[4]。传统的SiC陶瓷晶格成形方法，包括滑模铸造和凝胶注射成型，通常严重依赖于模具的使用[5]，[6]，[7]。这些技术往往涉及多个步骤、高成本和较长的生产周期，并且难以加工复杂几何形状的部件，这限制了其工业应用的扩展性[8]，[9]。相比之下，增材制造（AM）技术可以根据数字模型逐层构建部件，能够高效地生产出复杂形状的SiC陶瓷结构[10]，[11]。在各种AM技术中，激光粉末床熔化（LPBF）技术由于其对深色粉末的强吸收特性而特别适合SiC的制造[12]，这种技术提供了更高的成形精度，使其更适用于制造复杂的陶瓷设计[13]，[14]。

与由直立柱构成的传统晶格结构相比，三周期最小表面（TPMS）结构具有更好的结构完整性、更高的抗疲劳性能以及更强的机械能量耗散能力[15]，[16]。虽然均匀的TPMS晶格已经得到了广泛研究，但最近对渐变TPMS结构的研究主要集中在分析金属[17]、[18]、[19]、[20]、聚合物[21]、[22]和基于氧化物的陶瓷[23]等材料的静态行为上。例如，Xiong等人通过LPBF技术设计了Ti-6Al-4V渐变TPMS晶格，并通过X射线显微镜和有限元分析证实了这种结构的优异机械性能[20]。Zhang等人使用立体光刻技术制造了基于氧化铝的渐变TPMS结构，并观察到增加材料体积分数可以使断裂模式从脆性转变为更具延展性的行为[25]。

除了在恒定载荷下已充分记录的静态失效模式[26]，[27]，[28]外，实际工程应用中的结构部件经常受到循环载荷的影响，这会导致疲劳损伤并显著限制使用寿命。因此，了解基于三周期最小表面的晶格结构在低周载荷条件下的疲劳行为对于确保长期使用的耐用性和安全性至关重要[29]，[30]，[31]。低周疲劳（LCF）涉及在较少的循环次数内出现较高的应变幅度，在航空航天和电力系统等应用中尤其关键，因为这些系统中的部件经常经历温度或机械应力的剧烈波动[32]。最新研究表明，将梯度变化集成到晶格结构中可以显著提高疲劳耐受性。例如，Zhao等人指出，由于结构不均匀性导致的应力重分布有助于抵抗裂纹扩展，尤其是在结构完整性较高的区域[33]。同样，Yang等人发现渐变TPMS结构可以诱导更宽的塑性变形区域，并减轻拉伸应力集中，这不仅延缓了裂纹生长，还通过降低裂纹尖端的局部应力强度提高了疲劳抵抗性[34]。

迄今为止，关于TPMS晶格结构低周疲劳行为的研究主要集中在金属材料上[35]，[36]，而梯度结构设计对SiC基晶格LCF性能的影响仍需进一步研究。现有针对SiC陶瓷在低周疲劳条件下的研究主要集中在块状SiC陶瓷基复合材料上[37]，[38]，[39]，而基于TPMS的SiC晶格结构，尤其是那些包含Gyroid几何形状的结构，在这一领域受到的关注非常少。到目前为止，很少有系统性的研究探讨了SiC TPMS结构在低周载荷下的疲劳损伤演变和强化机制。在这项工作中，通过实验测试和理论分析研究了采用LPBF和液态硅胶渗透（LSI）技术制备的SiC Gyroid梯度晶格结构的低周疲劳响应，重点关注裂纹的起始、扩展以及这些结构中的强化机制。

章节片段

SiC TPMS晶格结构的建模与制备

SiC TPMS晶格结构是使用商业MATLAB软件设计的。生成了一个沿z轴相对密度从25%到45%变化的渐变Gyroid晶格，并将其命名为ZGCLS。通过将ZGCLS结构绕y轴旋转90度，获得了另一种沿y轴相对密度同样变化为25%到45%的梯度晶格结构，将其命名为ZTYGCLS。该软件被用来迭代优化这些结构。

表面形貌和几何偏差

图3展示了基于设计的CAD模型制造的SiC Gyroid UCLS和ZTYGCLS的代表性SEM显微图像。通过LPBF工艺成功实现了相对密度的连续梯度变化。所得到的UCLS和ZTYGCLS样品显示出弯曲的支柱网络，局部区域呈现球形结构，并且表面纹理较为粗糙。如图3(d)所示，左侧对应于较高密度的支柱区域，看起来更粗。

结论

本研究成功通过LPBF和LSI技术制备了相对密度为35%的均匀和渐变SiC Gyroid晶格结构。研究系统评估了它们在低周压缩-压缩疲劳下的性能，并阐明了相关的疲劳失效和强化机制。主要结论如下：

作者贡献声明

吴思琪：撰写 – 审阅与编辑，撰写 – 初稿。葛星星：软件开发，实验研究。杨磊：数据管理，概念设计。秦红玲：资源协调，方法论制定。严春泽：资金协调，概念设计。施玉生：项目监督。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能会影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（资助编号：52105396）、国家自然科学基金（资助编号：52235008）、国家自然科学基金（资助编号：52275177）、国家自然科学基金（资助编号：52505008）、福建省自然科学基金（资助编号：2025J08025）、智能制造装备与技术国家重点实验室开放项目（资助编号：IMETKF2025013）以及开放基金的支持。

吴思琪|葛星星|杨磊|秦红玲|严春泽|施玉生