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基于直接金屬激光燒結的輕質AlSi10Mg周期細胞晶格結構的評價

傳統(tǒng)的制造方法（如鑄造）面臨著將具有設計形狀、尺寸和體積的鋁合金制造成復雜周期性蜂窩晶格結構的困難。本研究評估了AlSi10Mg通過直接金屬激光燒結（DMLS）的周期細胞晶格結構的可制造性和性能。不同體積分數和單位細胞的大小形成不同的晶格結構，該晶格結構是由重復單元構成的，這種單元稱為“鉆石”。

由于鉆石單元具有自我支持的特性，低體積分數（7.5%～15%）AlSi10Mg的周期蜂窩晶格結構可以通過3～7mm晶胞的直接金屬激光燒結進行制造。

在傳統(tǒng)的結構模型和DMLS之間具有很好的幾何一致性，但DMLS的支柱尺寸使結構略高于設計值，因此孔隙尺寸會減小。結構的壓縮模量和結構強度、體積分數、單元大小之間有明確的關系。研究表明，輕質鋁結構的單元尺寸和體積分數可以控制，因此可對其力學性能進行預測。

這項研究是一個開拓性研究，評價基于周期性蜂窩晶格結構的鋁合金可制造性和性質。周期性晶格結構由被稱為“鉆石”的具有自我支持功能的重復單元類型構成，這提高了具有大范圍的單元晶胞尺寸和體積分數的生產蜂窩晶格結構DMLS的工藝性。本研究的主要研究成果如下。

（1）體積分數（7.5%～15%）和晶胞尺寸（3～7mm）的鉆石蜂窩晶格結構可以通過使用鋁合金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，體積分數為5%、尺寸為3～6.5mm的晶格結構支柱都很薄，易折斷，對晶胞內的結構造成一些破壞，但7mm晶胞的結構好很多。

（2）DMLS工藝制造的鋁合金晶格結構與CAD模型具有良好的幾何協(xié)調性。然而，許多部分熔化的金屬顆粒會結合在支撐表面上，熱處理后將完全熔化在支撐表面，導致與設計值相比，試驗支柱的尺寸較大、孔隙尺寸較小。

（3）體積分數恒定時，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，若體積分數增加，則孔徑減小。

（4）隨著體積分數的增加，采用DMLS工藝制造的晶格結構的壓縮模量和強度與利用吉普森–Ashby模型的計算結果接近。體積分數固定時，降低單元晶胞尺寸，則壓縮模量和強度增加。總的來說，DMLS工藝制造的鋁合金周期性晶格結構，其力學性能具有良好的可控性和預見性。

刊名：Journal of Materials Processing Technology（英）

刊期：2014年第214期

作者：Chunze Yan

編譯：王亮