基于直接金屬激光燒結(jié)的輕質(zhì)AlSi10Mg周期細(xì)胞晶格結(jié)構(gòu)的評(píng)價(jià)

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基于直接金屬激光燒結(jié)的輕質(zhì)AlSi10Mg周期細(xì)胞晶格結(jié)構(gòu)的評(píng)價(jià)

傳統(tǒng)的制造方法（如鑄造）面臨著將具有設(shè)計(jì)形狀、尺寸和體積的鋁合金制造成復(fù)雜周期性蜂窩晶格結(jié)構(gòu)的困難。本研究評(píng)估了AlSi10Mg通過(guò)直接金屬激光燒結(jié)（DMLS）的周期細(xì)胞晶格結(jié)構(gòu)的可制造性和性能。不同體積分?jǐn)?shù)和單位細(xì)胞的大小形成不同的晶格結(jié)構(gòu)，該晶格結(jié)構(gòu)是由重復(fù)單元構(gòu)成的，這種單元稱(chēng)為“鉆石”。

由于鉆石單元具有自我支持的特性，低體積分?jǐn)?shù)（7.5%～15%）AlSi10Mg的周期蜂窩晶格結(jié)構(gòu)可以通過(guò)3～7mm晶胞的直接金屬激光燒結(jié)進(jìn)行制造。

在傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型和DMLS之間具有很好的幾何一致性，但DMLS的支柱尺寸使結(jié)構(gòu)略高于設(shè)計(jì)值，因此孔隙尺寸會(huì)減小。結(jié)構(gòu)的壓縮模量和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、體積分?jǐn)?shù)、單元大小之間有明確的關(guān)系。研究表明，輕質(zhì)鋁結(jié)構(gòu)的單元尺寸和體積分?jǐn)?shù)可以控制，因此可對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行預(yù)測(cè)。

這項(xiàng)研究是一個(gè)開(kāi)拓性研究，評(píng)價(jià)基于周期性蜂窩晶格結(jié)構(gòu)的鋁合金可制造性和性質(zhì)。周期性晶格結(jié)構(gòu)由被稱(chēng)為“鉆石”的具有自我支持功能的重復(fù)單元類(lèi)型構(gòu)成，這提高了具有大范圍的單元晶胞尺寸和體積分?jǐn)?shù)的生產(chǎn)蜂窩晶格結(jié)構(gòu)DMLS的工藝性。本研究的主要研究成果如下。

（1）體積分?jǐn)?shù)（7.5%～15%）和晶胞尺寸（3～7mm）的鉆石蜂窩晶格結(jié)構(gòu)可以通過(guò)使用鋁合金DMLS工藝制造，在輕量化制造方面具有很大的靈活性和適用性。值得注意的是，體積分?jǐn)?shù)為5%、尺寸為3～6.5mm的晶格結(jié)構(gòu)支柱都很薄，易折斷，對(duì)晶胞內(nèi)的結(jié)構(gòu)造成一些破壞，但7mm晶胞的結(jié)構(gòu)好很多。

（2）DMLS工藝制造的鋁合金晶格結(jié)構(gòu)與CAD模型具有良好的幾何協(xié)調(diào)性。然而，許多部分熔化的金屬顆粒會(huì)結(jié)合在支撐表面上，熱處理后將完全熔化在支撐表面，導(dǎo)致與設(shè)計(jì)值相比，試驗(yàn)支柱的尺寸較大、孔隙尺寸較小。

（3）體積分?jǐn)?shù)恒定時(shí)，若單元晶胞尺寸增加，則支柱和孔徑的尺寸增加。晶胞大小一定時(shí)，若體積分?jǐn)?shù)增加，則孔徑減小。

（4）隨著體積分?jǐn)?shù)的增加，采用DMLS工藝制造的晶格結(jié)構(gòu)的壓縮模量和強(qiáng)度與利用吉普森–Ashby模型的計(jì)算結(jié)果接近。體積分?jǐn)?shù)固定時(shí)，降低單元晶胞尺寸，則壓縮模量和強(qiáng)度增加。總的來(lái)說(shuō)，DMLS工藝制造的鋁合金周期性晶格結(jié)構(gòu)，其力學(xué)性能具有良好的可控性和預(yù)見(jiàn)性。

刊名：Journal of Materials Processing Technology（英）

刊期：2014年第214期

作者：Chunze Yan

編譯：王亮