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)航天特種構件增材制造技術創(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)量眾多的微桁架結構胞元組成，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，成為三明治結構復合材料[1-4]。

三維點陣材料從微觀上可作為桁架結構使用經(jīng)典結構力學方法研究，也可從宏觀上作為非連續(xù)介質材料來分析。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合可實現(xiàn)多功能用途，科學意義重大。該類結構應用于上面級液體火箭發(fā)動機機架、常平環(huán)、安裝支板等力學環(huán)境單一的結構件，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、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，制約了該結構的推廣應用。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(3D打印)飛速發(fā)展，微結構設計受制造工藝約束大為減小，大量制備這種多孔點陣結構成為可能。Heinl[8]、Li[9]使用電子束選區(qū)熔化(EBM技術)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)關系與Gibson-Ashby理想開孔泡沫材料模型吻合良好，可通過設計微結構，調整孔隙率來匹配所需的力學性能；Martin Leary等人[12]研究了SLM技術制備體心立方(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種構型的鋁合金點陣材料，使用微焦點CT(μCT)重構了點陣材料桁架，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。工程應用方面，美國空軍技術研究所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、歐空局ESA將點陣材料應用于小推力火箭發(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構、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)關系，結合應力-應變曲線、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，單個胞元結構如圖2(b)所示。本文中以桁架直徑為變量，設計了φ0.3 mm、φ0.4 mm、φ0.5 mm的3種點陣材料，每種制備2個。

圖2 點陣材料與胞元結構Fig.2 Lattice material and cell structure CAD model

成形結束后進行退火熱處理以消除應力，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果如圖3所示。

圖3 點陣材料制備結果Fig.3 Preparation of lattice material

在高倍掃描電鏡下對其制備質量進行了表征，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，結果分別如圖4和表3所示。

圖4 點陣材料與胞元結構Fig.4 Lattice material and cell structure SEM

由圖4和表3可以看出，SLM技術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”，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構，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，造成下表面質量較差。

2.2 力學性能特征

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量，計算得到相應的密度、相對致密度、相對孔隙度如表4所示。

表4 不同點陣材料質量、密度Tab.4 Weight and density of different lattice materials

將致密度測量結果和桁架直徑進行擬合，得到致密度的預測模型

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力-應變曲線，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。

本文重點研究應力應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)關系，提出經(jīng)典的G-A模型(C、n為與材料有關的常數(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]結果表明，致密鈦合金在室溫壓縮過程，真實應力-應變曲線往往呈連續(xù)變化特征，曲線沒有波動性，隨著應變量的增加會表現(xiàn)出“彈性變形-應變強化-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力-應變曲線呈現(xiàn)波動起伏特征。對于3種不同桿徑的點陣材料，壓縮應力隨應變首先呈線性增長，說明壓縮初期為彈性變形。當應力增大到一定值時，應力隨應變增加而逐漸減小，之后又會隨應變逐漸增大，如此反復波動起伏。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構強化現(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。當點陣的局部應力達到實體材料的屈服應力時，局部點陣發(fā)生塑性變形從而導致局部密實。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，需要更大的應力才能導致材料的進一步變形，這就導致了力-位移曲線的再次升高。如此，在從上往下的密實化過程中，應力-應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力造成的；同時壓縮過程中，切應力的方向也在變化。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 工程應用與展望

基于上述研究結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)了增材制造技術的優(yōu)勢。

圖11 某發(fā)動機總裝支板輕量化設計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)化設計(見圖12)。

該設計的燃氣腔通過了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，分別驗證了點陣結構的抗壓和抗拉能力。

4 結語

基于激光選區(qū)熔化成形技術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，觀察并測量了其微桁架結構，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用進行了說明。