激光選區(qū)熔化菱形正十二面體點陣材料的承載與失效特性

左 蔚,趙 劍,白 靜,陳新紅,楊歡慶

(1.西安航天發(fā)動機有限公司，陜西 西安 710100;2.國防科技工業(yè)航天特種構(gòu)件增材制造技術(shù)創(chuàng)新中心，陜西 西安 710100;3.西安航天動力研究所，陜西 西安 710100)

0 引言

周期性三維點陣材料屬于有序多孔材料的一種，由數(shù)量眾多的微桁架結(jié)構(gòu)胞元組成，單個孔隙尺寸為毫米級甚至微米級，可根據(jù)服役需要在外部添加蒙皮，成為三明治結(jié)構(gòu)復(fù)合材料[1-4]。

三維點陣材料從微觀上可作為桁架結(jié)構(gòu)使用經(jīng)典結(jié)構(gòu)力學(xué)方法研究，也可從宏觀上作為非連續(xù)介質(zhì)材料來分析。三維點陣材料具有輕量化、防沖擊、減振降噪、隔熱保溫、散熱、生物相容等特點[5-7]，同時將上述兩種以上功能相結(jié)合可實現(xiàn)多功能用途，科學(xué)意義重大。該類結(jié)構(gòu)應(yīng)用于上面級液體火箭發(fā)動機機架、常平環(huán)、安裝支板等力學(xué)環(huán)境單一的結(jié)構(gòu)件，可實現(xiàn)火箭發(fā)動機的輕量化，提高火箭發(fā)動機推重比，1∶1地提高有效載荷重量；在發(fā)動機熱端部件使用，可憑借高比表面積、高比剛度優(yōu)勢實現(xiàn)輕質(zhì)、高效的傳熱冷卻[1]。

點陣材料的傳統(tǒng)制備工藝有熔模鑄造、擠壓法、組裝-釬焊法、三維編織法等，存在工序多、周期長、成本高、可靠性難以保證等問題，制約了該結(jié)構(gòu)的推廣應(yīng)用。而隨著以激光選區(qū)熔化為代表(以下簡稱SLM)的增材制造技術(shù)(3D打印)飛速發(fā)展，微結(jié)構(gòu)設(shè)計受制造工藝約束大為減小，大量制備這種多孔點陣結(jié)構(gòu)成為可能。Heinl[8]、Li[9]使用電子束選區(qū)熔化(EBM技術(shù))制備Ti-6Al-4V點陣材料，發(fā)現(xiàn)其壓縮特性、彈性模量與人體骨骼類似；Heinl[10]、Murr[11]研究表明EBM制備的點陣材料相對剛度(E/E0)與相對密度(ρ/ρ0)函數(shù)關(guān)系與Gibson-Ashby理想開孔泡沫材料模型吻合良好，可通過設(shè)計微結(jié)構(gòu)，調(diào)整孔隙率來匹配所需的力學(xué)性能；Martin Leary等人[12]研究了SLM技術(shù)制備體心立方(BCC)、面心立方(FCC)、含Z柱的體心立方(BCCZ)、含Z柱的面心立方(FCCZ)、含Z柱的體心/面心立方(FBCCZ)5種構(gòu)型的鋁合金點陣材料，使用微焦點CT(μCT)重構(gòu)了點陣材料桁架，對其制備精度進行了表征，同時使用實驗與有限元仿真相結(jié)合的方法研究了不同點陣材料壓縮過程、失效過程；Cheng[13]對比了EBM方法制備的隨機多孔材料和周期菱形十二面體點陣材料，結(jié)果表明在相近孔隙率的前提下后者具有更高的壓縮性能。工程應(yīng)用方面，美國空軍技術(shù)研究所Richards等人[14]基于拓撲優(yōu)化、點陣材料填充加強的方法對穿甲彈進行了輕量化設(shè)計，隨后通過3D打印制備出來，重量減少34%；澳大利亞莫納什大學(xué)、歐空局ESA將點陣材料應(yīng)用于小推力火箭發(fā)動機噴管外壁，如圖1所示[15]。

圖1 周期性點陣材料應(yīng)用于火箭發(fā)動機推力室Fig.1 Periodic lattice material applied to rocket engine thrust chamber

本文基于SLM技術(shù)制備了不同微桁架直徑的周期性菱形十二面體多孔點陣材料，借助理化分析手段對其微桁架結(jié)構(gòu)、相對致密度、壓縮特性進行表征，目的是建立相對致密度的預(yù)測模型，得到相對彈性模量、相對抗壓強度與相對致密度的函數(shù)關(guān)系，結(jié)合應(yīng)力-應(yīng)變曲線、壓縮過程影像和斷口金相，分析點陣材料壓縮過程中的失效行為和機理。

1 實驗材料與方法

本實驗的研究是在BLT-S300激光選區(qū)熔化成形裝備上完成的，該設(shè)備由一臺功率為500 W的IPG型光纖激光器、掃描振鏡及聚焦系統(tǒng)、工作缸、刮刀鋪粉裝置、氣體凈化系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)組成。實驗采用的TC4鈦合金粉末的化學(xué)成分如表1所示。

表1 TC4鈦合金粉末成分Tab.1 TC4 titanium alloy powder composition

粉末粒徑控制在15～45 μm之間，服從高斯分布，平均粒徑接近40 μm。球形度高，無明顯空心粉、衛(wèi)星粉?；宀牧蠟門C4鈦合金，尺寸為294 mm×257 mm×40 mm。實驗前將基板吹砂處理，并用無水乙醇擦洗干凈；在真空條件下對金屬粉末進行烘干處理，減少粉末吸潮、氧化的影響。激光選區(qū)熔化成形的工藝參數(shù)如表2所示。

表2 TC4鈦合金成形工藝參數(shù)Tab.2 Titanium alloy process parameters

成形試樣尺寸為20 mm×20 mm×20 mm，如圖2(a)所示，由64個菱形十二面體胞元組成，單個胞元結(jié)構(gòu)如圖2(b)所示。本文中以桁架直徑為變量，設(shè)計了φ0.3 mm、φ0.4 mm、φ0.5 mm的3種點陣材料，每種制備2個。

圖2 點陣材料與胞元結(jié)構(gòu)Fig.2 Lattice material and cell structure CAD model

成形結(jié)束后進行退火熱處理以消除應(yīng)力，同時提高材料塑性。壓縮試驗在CMT5105壓縮機上進行，變形速率為1 m/min。

2 點陣材料制備

2.1 制備精度

不同桁架直徑的點陣材料制備結(jié)果如圖3所示。

圖3 點陣材料制備結(jié)果Fig.3 Preparation of lattice material

在高倍掃描電鏡下對其制備質(zhì)量進行了表征，使用Image Pro Plus圖像處理軟件隨機測量了5個位置的桁架直徑，結(jié)果分別如圖4和表3所示。

圖4 點陣材料與胞元結(jié)構(gòu)Fig.4 Lattice material and cell structure SEM

由圖4和表3可以看出，SLM技術(shù)制備的微桁架外壁較為粗糙，黏附大量未熔合粉末，實際尺寸比設(shè)計值多出約0.15 mm，制備精度不高，分析其原因主要為以下幾方面。

表3 桁架直徑設(shè)計值與實測值Tab.3 Truss diameter design value and measured value

1)SLM制備懸垂面時存在“階梯效應(yīng)”，如圖5(a)所示。3D打印的工藝原理就是將三維CAD模型降為二維，隨后定積分加工，對于有曲面形狀和傾斜角度的結(jié)構(gòu)，外輪廓就是若干層圖形相似表示，因而呈現(xiàn)出階梯狀輪廓，如圖5(b)所示。

圖5 影響表面質(zhì)量的原因Fig.5 Causes of surface quality

2)在掃描輪廓邊緣時，一方面由于激光熱源為高斯熱源，光斑中心溫度高，光斑周圍為一定大小的熱影響區(qū)。激光快速掃描時，光斑中心區(qū)域粉末得到充分熔化，熱影響區(qū)的粉末處于半熔狀態(tài)，附著于已凝固實體；另一方面，光斑本身存在直徑，掃描軟件在規(guī)劃路徑時考慮補償，往往掃描輪廓線和設(shè)計輪廓線有一定距離偏置。兩方面原因造成成形后工件表面呈現(xiàn)不平整的褶皺形貌，并且尺寸偏差較大。

3)在成形下表面時，熔池在重力、粉末床毛細力雙重作用下部分陷入粉末床中，造成下表面質(zhì)量較差。

2.2 力學(xué)性能特征

點陣材料作為一種多孔材料，其致密度可以通過相對致密度來表征，定義為

D=ρ/ρ0×100%

式中：ρ為點陣材料密度；ρ0為實體材料密度，TC4鈦合金取4.44 g/cm3。

在電子天平上對制備的不同桁架直徑點陣材料稱質(zhì)量，計算得到相應(yīng)的密度、相對致密度、相對孔隙度如表4所示。

表4 不同點陣材料質(zhì)量、密度Tab.4 Weight and density of different lattice materials

將致密度測量結(jié)果和桁架直徑進行擬合，得到致密度的預(yù)測模型

y= 0.219 1x2+ 0.147 6x- 0.000 1

R2= 0.9985

式中：y為相對致密度；x為桁架直徑。當直徑x取0 mm時，材料致密度y為0，驗證了模型的準確性(見圖6)。

圖6 相對致密度與桁架直徑關(guān)系Fig.6 Relationship between truss diameter and relative density

圖7(a)為不同桁架直徑點陣材料壓縮試驗得到的力-位移曲線，圖7(b)為換算得到的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線，其中有效截面面積、原始標距均取實體材料值，分別為800 mm2,20 mm。

本文重點研究應(yīng)力應(yīng)變曲線第一個波峰波谷，即材料開始失效的過程。由該曲線得到點陣材料的抗壓強度、彈性模量，進而得到比抗壓強度、比彈性模量、相對抗壓強度、相對彈性模量(σ0、E0為TC4鈦合金實體材料壓縮強度和彈性模量，分別取969 MPa、100 GPa)，如表5所示。

表5 不同點陣材料力學(xué)性能Tab.5 Mechanical properties of different lattice materials

圖7 不同桁架直徑點陣材料壓縮曲線Fig.7 Compression curves of lattice materials with different truss diameters

Ashby[16]認為多孔材料的相對壓縮強度、相對彈性模量與致密度存在冪函數(shù)關(guān)系，提出經(jīng)典的G-A模型(C、n為與材料有關(guān)的常數(shù))

E/E0=C(ρ/ρ0)n

σ/σ0=C′(ρ/ρ0)n′

由本文實驗擬合出相對致密度和比強度、比彈性模量的函數(shù)關(guān)系，擬合表達式與文獻[16]提出的模型吻合(見圖8)。

(E/E0)= 0.223×(ρ/ρ0)1.653 6R2=0.984 8

(σ/σ0)= 320.27×(ρ/ρ0)1.17R2=0.982 8

圖8 多孔材料相對彈性模量、相對抗壓強度與致密度關(guān)系圖Fig.8 Relationship between relative elastic modulus, relative compressive strength and density of porous materials

2.3 壓縮變形行為

國內(nèi)外大量鈦合金壓縮試驗[17-18]結(jié)果表明，致密鈦合金在室溫壓縮過程，真實應(yīng)力-應(yīng)變曲線往往呈連續(xù)變化特征，曲線沒有波動性，隨著應(yīng)變量的增加會表現(xiàn)出“彈性變形-應(yīng)變強化-流變軟化”的特征。此外在受軸向壓縮載荷時，在取向因子具有最大值的45°方向分切應(yīng)力最大，首先沿該方向斷裂，并且斷口表現(xiàn)為脆性穿晶斷裂的準解理斷口，斷口形貌比較平整。

而對于周期性的鈦合金點陣材料，正如圖7所示，所制備點陣材料的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)波動起伏特征。對于3種不同桿徑的點陣材料，壓縮應(yīng)力隨應(yīng)變首先呈線性增長，說明壓縮初期為彈性變形。當應(yīng)力增大到一定值時，應(yīng)力隨應(yīng)變增加而逐漸減小，之后又會隨應(yīng)變逐漸增大，如此反復(fù)波動起伏。文獻[19-20]指出，多孔材料在壓縮過程中會出現(xiàn)屈曲失穩(wěn)軟化以及局部密實結(jié)構(gòu)強化現(xiàn)象。本文對壓縮的動態(tài)變形過程進行了攝像記錄，結(jié)果如圖9所示。

由圖9可知，在壓縮過程中，材料頂部的變形明顯大于下部，當頂部局部區(qū)域密實到一定程度后，密實區(qū)會逐漸下移，直至整塊材料密實化并斷裂。同時，與實體材料類似，材料最終的斷裂面與壓縮軸線也近似呈45°夾角。根據(jù)壓縮變形過程可以推測，在壓縮載荷作用下，材料首先表現(xiàn)出整體的彈性變形。當點陣的局部應(yīng)力達到實體材料的屈服應(yīng)力時，局部點陣發(fā)生塑性變形從而導(dǎo)致局部密實。密實部分的強度相較初始點陣材料會顯著增加，當密實區(qū)域足夠大時，需要更大的應(yīng)力才能導(dǎo)致材料的進一步變形，這就導(dǎo)致了力-位移曲線的再次升高。如此，在從上往下的密實化過程中，應(yīng)力-應(yīng)變曲線的升降會多次出現(xiàn)。

圖9 點陣材料壓縮過程Fig.9 Compression process of lattice material

對壓縮斷口進行觀察，結(jié)果如圖10所示。由圖10(a)可知，點陣連接桿多從節(jié)點處斷裂，說明節(jié)點處的應(yīng)力集中最大。圖10(b)為具有撕裂特征的韌窩，同時不同區(qū)域的撕裂方向也不同。這說明，點陣連接桿的斷裂主要是切應(yīng)力造成的；同時壓縮過程中，切應(yīng)力的方向也在變化。由此也可以推測，點陣連接桿在整個過程中可能存在多個方向的彎曲變形。

圖10 點陣材料失效斷口Fig.10 Failure fracture of lattice material

3 工程應(yīng)用與展望

基于上述研究結(jié)果和增材制造的理念，根據(jù)給定載荷，對某航天動力裝置總裝支板進行“骨架拓撲優(yōu)化+加強點陣填充”輕量化創(chuàng)新設(shè)計(見圖11)，胞元大小選擇5 mm，桁架直徑為0.5 mm。產(chǎn)品在滿足負載要求的情況下，減重40%，制造周期縮短40%，極大體現(xiàn)了增材制造技術(shù)的優(yōu)勢。

圖11 某發(fā)動機總裝支板輕量化設(shè)計Fig.11 Lightweight design of an engine assembly plate

對某型號發(fā)動機換熱器的再生冷卻夾層進行基于點陣的優(yōu)化設(shè)計(見圖12)。

該設(shè)計的燃氣腔通過了19.5 MPa的液壓以及13 MPa的氣密試驗，在夾層腔通過了4.5 MPa的液壓及3 MPa的氣密試驗考核，產(chǎn)品未發(fā)生鼓包、凹陷等變形，分別驗證了點陣結(jié)構(gòu)的抗壓和抗拉能力。

4 結(jié)語

基于激光選區(qū)熔化成形技術(shù)制備了不同微桁架直徑的周期性菱形十二面體多孔點陣材料，借助材料分析測試技術(shù)，觀察并測量了其微桁架結(jié)構(gòu)，對相對致密度、壓縮特性進行了表征，建立了相對致密度的預(yù)測模型，得到了相對彈性模量、相對抗壓強度與相對致密度的函數(shù)關(guān)系，分析了點陣材料壓縮過程中的失效行為和機理，最后對該點陣材料工程應(yīng)用進行了說明。