南洋理工大學：通過增材制造微結(jié)構(gòu)設計,，增強輕質(zhì)機械超材料機械性能

來源：材料科學網(wǎng)

導讀：增材制造(AM)的出現(xiàn)促進了具有復雜幾何特征的輕質(zhì)機械超材料的制造,。在這里,，南洋理工大學周坤教授團隊專注于微觀結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)設計對超材料顯著性能增強的貢獻,。采用激光粉末床熔接技術(shù)制備了具有球形孔的立方板格。不同于常用的優(yōu)化AM參數(shù)來改變熱歷史和由此產(chǎn)生的性能,，周琨教授等人采用了一種簡單的策略,，靈感來自晶體學和AM特征-傾斜構(gòu)建方向。與正常構(gòu)建取向相比,，傾斜構(gòu)建取向使印刷板晶格的微觀結(jié)構(gòu)由(100)主導轉(zhuǎn)變?yōu)?111)和(101)主導,，晶粒尺寸顯著細化，印刷板晶格的抗壓強度和應變分別提高了30%和10%,。為了進一步定制超材料的性能,，我們集成了波浪板拓撲設計，以改善性能的各向同性并增加沖擊衰減,。通過結(jié)合微觀結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)設計,，為優(yōu)化增材制造的超材料鋪平了道路。

機械超材料代表了一類新型的建筑材料,，其特點是通過合理設計的幾何形狀實現(xiàn)卓越的機械性能和獨特的響應,。這些材料具有許多優(yōu)點，包括高剛度,、極高的強度重量比,、增強的能量吸收能力、可調(diào)諧的波傳播特性,、與載荷相關(guān)的負泊松比和形狀變形響應,。計算建模的發(fā)展，特別是人工智能的集成,，已經(jīng)徹底改變了設計領(lǐng)域,，使復雜幾何形狀的創(chuàng)建和機械超材料的逆功能設計成為可能。盡管它們具有巨大的潛力,，但由于其復雜的特性,，傳統(tǒng)的制造方法，包括鑄造,、鍛造和機械加工,，都無法生產(chǎn)它們。其他先進的制造技術(shù),，如電化學沉積和直接激光寫入已經(jīng)顯示出前景,，但它們的可擴展性仍然有限。為了充分利用機械超材料在各個行業(yè)的優(yōu)勢,，可擴展的制造方法勢在必行,。

新興增材制造(AM)技術(shù)的逐層制造模式能夠以極高的精度創(chuàng)建復雜的幾何形狀。這一進步導致了八元桁架微晶格的發(fā)展,，這種微晶格通過幾乎各向同性的微尺度單元格網(wǎng)絡來實現(xiàn)超輕和超硬的機械性能,。采用投影微立體光刻技術(shù)制備光敏聚合物微晶格,，以達到高精度，支撐尺寸為~ 40 μm,。同樣,，采用雙光子光刻直接激光寫入技術(shù)制備具有八元桁架設計的陶瓷納米晶格，形成的支撐厚度在5至60 nm之間,。這些由聚合物或陶瓷構(gòu)成的微/納米晶格具有令人印象深刻的機械性能,，使其適用于生物醫(yī)學或半導體行業(yè)的微觀應用。然而,，對于結(jié)構(gòu)工程而言,，使用大型金屬部件是工業(yè)標準對關(guān)鍵部件的硬性要求。激光粉末床熔融(LPBF)工藝已經(jīng)成功地生產(chǎn)出具有優(yōu)異力學性能的大型金屬超材料,。目前,，金屬增材制造工藝的分辨率受到金屬打印機中激光光束尺寸、粉末粒度和層厚度等因素的限制,。通常,，微激光器光斑尺寸的最終分辨率在15 μm左右,，粉末尺寸在5 ~ 25 μm之間,，層厚為10 μm，平均壁厚約為100 μm,。盡管存在這些限制,，但通過增材制造工藝的工藝設計，高性能超材料的持續(xù)發(fā)展仍然是可以實現(xiàn)的,。這一發(fā)展有可能解決目前的限制,，并使制造更大、更復雜的金屬結(jié)構(gòu)用于結(jié)構(gòu)工程應用,，從而滿足航空航天,、海洋和近海等行業(yè)的苛刻要求。

增材制造提供的制造自由促進了許多增強超材料的新設計,�,！霸�晶”晶格結(jié)構(gòu)被設計和制造，以允許從類似晶界,、沉淀和非均相第二相硬化的單位細胞中實現(xiàn)硬化機制,。這種硬化過程是通過結(jié)合面心立方(FCC)和體心立方(BCC)晶格胞和具有固有硬度的內(nèi)部晶格析出物之間的邊界實現(xiàn)的。研究人員進一步研究了靠近“元�,！本Ц窠缑娴木Ц窨臻g取向設計,，以減少晶格結(jié)構(gòu)的屈服破壞。局部剪切帶導致整體破壞的可能性顯著降低,，減小元晶粒尺寸可以提高晶格結(jié)構(gòu)的強度,。機械超材料的設計也受到了生物材料和復合材料概念的啟發(fā)。例如，雙相復合晶格結(jié)構(gòu)已被開發(fā)出來,，將軟基體與硬晶格結(jié)合在一起,，從而提高了剛度、強度和韌性,，比能吸收提高了2.5倍,。從初始設計到測試階段，具有復雜幾何結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)的成功制造是超強機械超材料發(fā)展的重要案例研究,。然而,，各向同性彈性超材料的理論極限受到了基于板的晶格的挑戰(zhàn)，在分析和微型實驗中,，基于板的晶格比基于桿的晶格表現(xiàn)出更高的總剛度,。因此，在可預見的未來,，制造大規(guī)模板基晶格的發(fā)展將為工業(yè)采用超強機械超材料提供有價值的見解,。

增材制造工藝的另一個好處是冷卻速度快，這可以導致特定材料的實質(zhì)性改進,。例如,，與鑄造和鍛造合金相比，am生產(chǎn)的不銹鋼和高熵合金通常同時表現(xiàn)出強度和延展性的增強,。這些微觀結(jié)構(gòu)特征是由所采用的增材制造工藝參數(shù)決定的,。此外，這些工藝參數(shù)對于最小化可能對其他材料性能產(chǎn)生不利影響的打印缺陷,、殘余應力和各向異性行為的存在至關(guān)重要,。目前對金屬機械超材料增材制造設計的研究主要集中在結(jié)構(gòu)設計上，很少考慮最終產(chǎn)品的微結(jié)構(gòu)特征和打印策略的優(yōu)化,。因此,，為了充分利用增材制造在機械增強方面的潛力，必須同時在微觀結(jié)構(gòu),、打印工藝和建筑設計之間取得微妙的平衡,。這種多維優(yōu)化方法使人們能夠追求具有優(yōu)異性能的機械超材料，從宏觀尺度的晶格結(jié)構(gòu)到微觀尺度的內(nèi)在微觀結(jié)構(gòu),。

本工作旨在通過使用LPBF系統(tǒng)的增材制造設計來提高板晶格的機械性能,。通過戰(zhàn)略性地整合結(jié)構(gòu)幾何和微觀結(jié)構(gòu)特征，通過簡單而有效的印刷策略-傾斜構(gòu)建方向來微調(diào)板格的特性,。因此,，這種方法產(chǎn)生了自然多樣的晶體結(jié)構(gòu)和精細的晶粒，從而顯著提高了能量吸收,。將該方法擴展到制作具有板波紋的板晶格,，以展示該策略的通用性,，該策略可以通過在不同加載方向上的優(yōu)越均勻性和更柔順的變形機制同時增強各向同性和沖擊衰減。本研究為增材制造機械超材料的多尺度優(yōu)化提供了一個創(chuàng)新方向,。

相關(guān)研究成果以“Additive manufacturing of metallic metamaterials with enhanced mechanical properties enabled by microstructural and structural design”發(fā)表在 International Journal of Machine Tools and Manufacture上,。

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表1。Johnson-Cook應變硬化和速率敏感性參數(shù)

表2,。SS316L粉末的化學成分,。

圖1所示。介紹了板基空心簡單立方(HSC)晶格的設計原理和幾何結(jié)構(gòu),，以及孔徑對其力學性能的影響,。(a) LPBF技術(shù)板基簡單立方結(jié)構(gòu)的概念發(fā)展。(b) SC單元格和(c)帶小孔的空心簡單立方單元格中粉末顆粒的流動性示意圖,，其中孔和可能的粉末去除路徑分別用紅色圓圈和黑色箭頭表示,。基于板的HSC結(jié)構(gòu)的概念布局及其假設的晶粒生長,，最大熱梯度方向,，以及(d)垂直方向(VO)和(e)傾斜(TO)的掃描策略，黃色箭頭指向LPBF制造樣品中的翹曲水平板,。(讀者可參閱本文的網(wǎng)頁版本,，以了解該圖例中有關(guān)顏色的解釋。)

圖2所示,。HSC格架的設計與結(jié)構(gòu)分析,。(a)典型的基于簡單立方板的RVE模型和帶有幾何參數(shù)注釋的4 × 4 × 4 HSC結(jié)構(gòu)的等距視圖和正面視圖,。(b)不同孔徑下RVE模型的楊氏模量(S:小;M:中等;L:大),。有限元分析與實驗結(jié)果對比:(c)不同孔徑HSC結(jié)構(gòu)對應的比模量，(d)比平臺應力,，(e)能量吸收能力,，(f)不同孔徑HSC結(jié)構(gòu)的應力-應變曲線。誤差帶表示平均值的±SD (n = 3),。

圖3所示,。通過改變在增材制造中的構(gòu)建方向，可以顯著提高板基SC晶體結(jié)構(gòu)的強度,。(a)準靜態(tài)壓縮下VO和TO試樣的應力-應變行為,。(b)不同SS316L晶格結(jié)構(gòu)的吸能能力Ashby圖。

圖4所示,。通過改變構(gòu)建方向來優(yōu)化HSC晶格中的晶粒紋理,。(a) VO和(b) TO模型中晶粒在薄壁中的生長。反向極圖顯示(c)強的<100>vo構(gòu)建晶格中的晶�,？棙�(gòu)和(e)強的<101>和& lt; 111年比;在to構(gòu)建的晶格中的顆粒紋理,。(d) vo構(gòu)造晶格和(f) to構(gòu)造晶格的逆極圖映射和Schmid因子映射,。

圖5所示。準靜態(tài)壓縮下CSC結(jié)構(gòu)的力學性能,。(a)波浪形設計適應簡單立方單元格的截面圖,。CSC設計示意圖:(b) CSC- ss和(c) CSC- ms及其由RVE模型計算的楊氏模量。SS為小曲率,、小孔徑,，MS為中曲率、小孔徑,。(d)齊納比隨著波板曲率的增加而改善,。(e)將TO策略調(diào)整為各向同性CSC-SS設計后能量吸收能力的恢復。

圖6所示,。準靜態(tài)壓縮下的實驗與數(shù)值結(jié)果對比表明,，CSC-MS結(jié)構(gòu)的應力分布更為均勻。

圖7所示,。CSC-SS,、CSC-MS和CSC-LS在5%壓縮應變(a) xz和(b) xy方向和(c) xz和(d) xy方向在10%壓縮應變下的應力線圖。

圖8所示,。動態(tài)落錘沖擊下CSC結(jié)構(gòu)的力學性能:(a)反作用力隨時間的數(shù)值對比;(b)不同波紋參數(shù)下結(jié)構(gòu)的應力-應變曲線,。

圖9所示。不同模型在初始力峰值(階段I)和沖擊后平臺(階段II)的應力分布輪廓,。

圖10所示,。不同HSC和CSC結(jié)構(gòu)的沖擊能量耗散率:(a)塑性耗散能和(b)動能。

圖11所示,。通過對比實驗結(jié)果和數(shù)值結(jié)果,，驗證HSC-S和CSC-SS結(jié)構(gòu)在動力沖擊試驗下的實驗驗證:(a)反作用力隨時間的變化，(b)首次沖擊前(階段一)和后(階段二)CSC-SS試樣的變形情況,。

這項工作提出了微觀結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)設計的結(jié)合,，以提高增材制造的超材料的性能。采用LPBF工藝制備了具有不同波紋度和去粉特性的板格,。數(shù)值模擬和實驗驗證驗證了機械超材料的優(yōu)化設計,。

1）在增材制造過程中，受晶體學控制啟發(fā)的傾斜構(gòu)建方向的打印策略導致具有(101)和(111)優(yōu)選紋理和精細晶粒的構(gòu)建微觀結(jié)構(gòu),。在準靜態(tài)壓縮測試中,，微觀結(jié)構(gòu)的改變使強度提高了30%，應變增加了10%,，與正常構(gòu)建方向相比,，能量吸收提高了45%。

2）通過進一步完善結(jié)構(gòu)設計,，并引入受波浪手性設計啟發(fā)的波浪板,，對印刷板格的沖擊衰減進行了微調(diào),，使齊納比提高了140%。變形過程解釋了波浪板在較長時間內(nèi)軟化高沖擊力的改進依從性,。

這項創(chuàng)新研究為通過增材制造技術(shù)生產(chǎn)的金屬機械超材料的性能改善鋪平了道路,，整合了微觀結(jié)構(gòu)、工藝和結(jié)構(gòu)的設計,。這種策略可能為需要高強度,、減輕重量和高能量吸收能力的工程應用提供顯著的進步。