孫 馳，汪 健，賀 賀，秦冬陽(yáng)*，曹遠(yuǎn)奎，付 遨，劉 彬*

（1 中南大學(xué) 粉末冶金研究院，長(zhǎng)沙 410083；2 西北工業(yè)大學(xué) 航空學(xué)院，西安 710072）

航空航天及軌道交通等領(lǐng)域的快速發(fā)展對(duì)結(jié)構(gòu)材料的靜態(tài)承載性能和吸能性能提出了更高要求。具備高比強(qiáng)度、比能量吸收值的新型輕量化結(jié)構(gòu)材料，無(wú)論是在登陸器的緩沖支架，還是汽車(chē)的支撐吸能結(jié)構(gòu)等關(guān)鍵部件的制造中，都有著越來(lái)越廣闊的應(yīng)用場(chǎng)景［1-4］。金屬點(diǎn)陣材料是由單元格在空間規(guī)則重復(fù)排列得到一種多孔輕質(zhì)材料，具有良好的比強(qiáng)度、比剛度等特性，在航空航天、生物醫(yī)療、汽車(chē)工業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛［5-9］。目前用于制備金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的材料主要有Ti6Al4V、AlMgSi、316L 不銹鋼和CuCrZr 等合金。Ti6Al4V 和AlMgSi 制備的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高且密度小，但塑性較差，在較小變形量下即發(fā)生斷裂或破碎，緩沖吸能階段過(guò)短［10-11］。316L 不銹鋼和CuCrZr 制備的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)具有較好的變形協(xié)調(diào)能力和較長(zhǎng)的緩沖吸能階段，但強(qiáng)度較低，比吸收能量值也較?。?2-13］。因此，同時(shí)提升點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和塑性是提升其沖擊吸能性能的關(guān)鍵。

中熵合金因其優(yōu)異的綜合力學(xué)性能為新型高性能點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)材料的開(kāi)發(fā)提供了新方向［14-16］。中熵合金具有強(qiáng)烈晶格畸變、多元固溶結(jié)構(gòu)和變形誘導(dǎo)孿生（TWIP）等特性而兼具高強(qiáng)度和高塑性。例如，CoCrNi 中熵合金有較低的層錯(cuò)能、低的孿晶發(fā)動(dòng)臨界應(yīng)力以及顯著的TWIP 效應(yīng)，使其具有優(yōu)異的室/低溫拉伸性能和抗沖擊性能［17］。本團(tuán)隊(duì)采用SLM 技術(shù)制備了FeCrNi 中熵合金，其拉伸強(qiáng)度超過(guò)1000 MPa，伸長(zhǎng)率高于30%，具有優(yōu)異的強(qiáng)度與塑性組合。同時(shí)，由于過(guò)飽和固溶的高鉻含量，F(xiàn)eCrNi 中熵合金具有極好的耐腐蝕性（腐蝕電流密度icorr=0.06 μA·cm-2，僅為316 不銹鋼的五分之一）［18］，在海洋和化工等領(lǐng)域作為結(jié)構(gòu)材料有重要應(yīng)用前景。將點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)與高強(qiáng)韌中熵合金相結(jié)合，有望制備出比強(qiáng)度與比能量吸收性能更加優(yōu)異的超材料，但是該方面的研究目前還十分缺乏。

本研究選用FeCrNi 中熵合金作為基體，采用選區(qū)激光熔化方法制備具有BCC，BCCZ，F(xiàn)CC，F(xiàn)CCZ 四種仿晶格結(jié)構(gòu)的金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)材料，結(jié)合實(shí)驗(yàn)表征與有限元模擬方法對(duì)其顯微組織、力學(xué)性能及變形行為進(jìn)行了系統(tǒng)研究。旨在開(kāi)發(fā)兼具高比強(qiáng)度和高比能量吸收值的中熵合金點(diǎn)陣材料，為承載-吸能一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與材料制備提供理論參考。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的制備

本研究選取了BCC，F(xiàn)CC 系晶格點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)作為研究對(duì)象，此類(lèi)結(jié)構(gòu)具有制備方便、可靠性高、機(jī)械效率優(yōu)越等優(yōu)點(diǎn)，并已顯示出優(yōu)異的承載和吸能性能［19-21］?；谙惹皥?bào)道的SLM 點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)力學(xué)性能數(shù)據(jù)以及可制造性要求，最終確定點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的晶格支柱直徑為0.3 mm，單胞邊長(zhǎng)2 mm。使用三維建模軟件3D Metalwerks 構(gòu)建了四種不同點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的模型，如圖1 所示。圖1（a）為體心立方結(jié)構(gòu)（BCC）；圖1（b）為體心立方Z軸加強(qiáng)結(jié)構(gòu)（BCCZ）；圖1（c）為面心立方結(jié)構(gòu)（FCC）；圖1（d）為面心立方Z軸加強(qiáng)結(jié)構(gòu)（FCCZ）。在ABAQUS 有限元仿真平臺(tái)上對(duì)FeCrNi 中熵合金點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)壓縮過(guò)程模擬分析。使用建模軟件Spaceclaim 構(gòu)建仿真模型，生成STP 格式文件并導(dǎo)入ABAQUS 中。上下壓頭設(shè)置為剛體，壓頭與點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)間的摩擦因數(shù)設(shè)為0.14，每個(gè)模型網(wǎng)格劃分單元數(shù)均大于30 萬(wàn)。

圖1 四種點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)模型及其單胞示意圖 （a）BCC；（b）BCCZ；（c）FCC；（d）FCCZFig.1 Four lattice structure models and their units （a）BCC；（b）BCCZ；（c）FCC；（d）FCCZ

選用氣霧化法制備的FeCrNi 中熵合金粉末為實(shí)驗(yàn)原料，其物性如圖2 所示。圖2（a）為FeCrNi 中熵合金粉末的SEM 圖，粉末呈現(xiàn)球形或近球形，存在少量衛(wèi)星粉。圖2（b）為粉末粒徑分布曲線，粉末粒徑分布集中，中位徑（D50）為60.3 μm。圖2（c）中的粉末XRD 圖譜顯示FeCrNi 預(yù)合金粉末為單相的面心立方結(jié)構(gòu)，五個(gè)衍射峰分別對(duì)應(yīng)面心立方結(jié)構(gòu)的（111），（200），（220），（311）和（222）晶面。分別采用電感耦合等離子體質(zhì)譜技術(shù)和儀器氣體分析技術(shù)對(duì)粉末中的金屬元素和非金屬輕元素進(jìn)行測(cè)量。FeCrNi 預(yù)合金粉末實(shí)際化學(xué)組成為Fe32.39Cr35.12Ni31.58（體積分?jǐn)?shù)/%），間隙氧和碳含量分別為490×10-6和720×10-6。在華曙高科的FS121M 金屬成形系統(tǒng)上進(jìn)行樣品制備。SLM 工藝參數(shù)為：激光光斑直徑為60 μm，激光功率為350 W，掃描速度為700 mm?s-1，掃描間距為110 μm，層厚為60 μm，層間旋轉(zhuǎn)67°。成形過(guò)程通入氬氣，氧含量降至0.12%（體積分?jǐn)?shù)）以下。樣品在400 ℃下去應(yīng)力退火3 h，隨爐冷卻。

圖2 FeCrNi 中熵合金粉末物性（a）預(yù)合金粉末SEM 形貌圖；（b）粉末粒徑分布曲線；（c）粉末XRD 圖譜Fig.2 Physical properties of FeCrNi medium entropy alloy powder（a）SEM morphology of pre alloy powder；（b）particle size distribution curve；（c）XRD pattern

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

使用TESCAN Mira 4 型掃描電子顯微鏡對(duì)不同試樣壓縮前后的表面狀態(tài)以及微觀組織進(jìn)行觀察。使用INSTRON 8801 液壓伺服試驗(yàn)機(jī)對(duì)不同結(jié)構(gòu)的樣品沿構(gòu)建方向進(jìn)行單軸壓縮實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)溫度為室溫，壓縮應(yīng)變速率為0.001 s-1，壓縮量為70%。

測(cè)定相對(duì)密度ρrel選用直接稱(chēng)重法，其計(jì)算公式如式（1）所示：

式中：V為點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)外輪廓體積；m為試樣質(zhì)量；ρ為合金的密度，取為7.9 g·cm-3。

2 結(jié)果與分析

2.1 FeCrNi 點(diǎn)陣材料微觀組織

圖3 所示為SLM 成形四種點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)壓縮前后的實(shí)物對(duì)照?qǐng)D，從左向右依次對(duì)應(yīng)BCC，BCCZ，F(xiàn)CC，F(xiàn)CCZ 點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，各點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)均壓縮到致密化階段。圖4 為BCC，BCCZ，F(xiàn)CC，F(xiàn)CCZ 樣品壓縮測(cè)試前后的表面SEM 形貌圖。從壓縮前的表面SEM 形貌圖可以看出，樣品的結(jié)構(gòu)完整，節(jié)點(diǎn)之間良好搭接，成形質(zhì)量較高；但結(jié)構(gòu)輪廓的粗糙度較高，主要原因是一些局部熔化以及少量未熔化的粉末顆粒附著在支柱表面。從壓縮測(cè)試后的表面SEM 形貌圖可以看出，在壓縮實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，各個(gè)結(jié)構(gòu)的樣品均沒(méi)有由于壓力過(guò)大而導(dǎo)致開(kāi)裂，變形較為均勻，沒(méi)有出現(xiàn)明顯的局部效應(yīng)和支柱斷裂痕跡，樣品的結(jié)構(gòu)基本保持完整。表明樣品壓縮協(xié)調(diào)變形能力優(yōu)異，在較大應(yīng)變量下仍能維持結(jié)構(gòu)不發(fā)生嚴(yán)重的損壞。

圖3 四種點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)壓縮前后的實(shí)物圖Fig.3 Physical images of four lattice structures before and after compression

圖4 壓縮測(cè)試前（1）后（2）的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)表面SEM 形貌圖（a）BCC；（b）BCCZ；（c）FCC；（d）FCCZFig.4 SEM morphology of lattice structure surfaces before（1）and after（2） compression testing（a）BCC；（b）BCCZ；（c）FCC；（d）FCCZ

圖5 為FeCrNi 中熵合金點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的微觀組織。圖5（a-1）~（c-1）為在構(gòu)建方向（X-Z平面）的微觀組織（白色虛線表示熔池邊界），熔池呈現(xiàn)魚(yú)鱗狀交錯(cuò)堆疊，互相連接，重疊率高，寬度在100 μm 左右。在激光燒結(jié)的過(guò)程中，金屬粉末被熔化成半弧形熔池，且熔融金屬具有較好的流動(dòng)性，保證了熔道間良好的搭接效果并促進(jìn)熔池內(nèi)部的溫度和成分均勻分布，提高了熔池的穩(wěn)定性和重疊率。熔池中心及頂部出現(xiàn)一定數(shù)量的等軸晶粒，在熔池邊界存在沿溫度梯度生長(zhǎng)的柱狀晶。由組織分析可知，相較于實(shí)心塊體結(jié)構(gòu)，雖然點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)試樣的熔池邊界沿最大溫度梯度方向上仍然存在柱狀晶的生長(zhǎng)，但熔池中心部位的等軸晶明顯增多。相較于柱狀晶，等軸晶的各向力學(xué)性能相近，且更為細(xì)小，可以帶來(lái)更高的強(qiáng)度和塑性。由凝固理論可知，晶粒形態(tài)由G/R決定，即溫度梯度（G）除以凝固前沿的凝固速度（R）。當(dāng)G/R較大時(shí)，傾向于生成柱狀晶粒；當(dāng)G/R較小時(shí)，傾向于生成等軸晶粒。點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的切片面是非連續(xù)的，掃描時(shí)激光運(yùn)動(dòng)軌跡是非連續(xù)的，周?chē)醇訜岬慕饘俜勰?huì)使凝固前沿的凝固速度顯著提高，使G/R減小，有利于等軸晶粒的產(chǎn)生。同時(shí)，由于激光在點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)中掃描路徑的不連續(xù)性，凝固前沿的凝固速率增大，有利于形成細(xì)小晶粒，產(chǎn)生細(xì)晶強(qiáng)化，進(jìn)一步提高材料的強(qiáng)度和塑性。圖5（a-2）~（c-2）為在垂直構(gòu)建方向的微觀組織，連續(xù)的激光熔化軌道對(duì)應(yīng)于SLM 工藝中的熔池。相鄰列之間的角度與激光掃描的路徑有關(guān)，激光掃描每層旋轉(zhuǎn)67°。熔道邊界的微觀組織以胞狀晶為主。

圖5 SLM 成形FeCrNi 中熵合金點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的微觀組織（a）熔池的顯微照片；（b）熔道的放大圖；（c）胞狀晶SEM 圖；（1）在構(gòu)建方向上；（2）在垂直構(gòu)建方向上Fig.5 Microstructure of entropy alloy lattice structure in FeCrNi MEA formed by SLM（a）micrograph of molten pool；（b）enlarged view of molten pool；（c）SEM image of cellular crystal；（1）in direction of construction；（2）in direction of vertical construction

2.2 不同點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)對(duì)壓縮真應(yīng)力-應(yīng)變曲線的影響

SLM 技術(shù)制備的四種不同點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的FeCrNi 中熵合金點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)材料的壓縮真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線如圖6 所示。BCC，BCCZ，F(xiàn)CC，F(xiàn)CCZ 點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的壓縮真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線整體較為平滑且呈上升趨勢(shì)。壓縮過(guò)程大致可分為彈性變形、塑性變形和致密化三個(gè)階段。應(yīng)變較小時(shí)（4%以內(nèi)），壓縮過(guò)程可以視為線彈性變形，應(yīng)變隨應(yīng)力增加而線性增加，其斜率為點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的彈性模量；隨著應(yīng)變?cè)龃螅?%~55%），進(jìn)入塑性變形階段，應(yīng)力緩慢上升呈平臺(tái)狀，此階段的平均應(yīng)力為點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的平臺(tái)應(yīng)力，平臺(tái)應(yīng)力與其密度之比為比強(qiáng)度；當(dāng)應(yīng)變超過(guò)一定值后（大于55%），進(jìn)入致密化階段，此后類(lèi)似于實(shí)體件的壓縮，應(yīng)力明顯上升［22］。四種點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)靜態(tài)壓縮性能如表1 所示。BCC 和FCC 點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的相對(duì)密度大小接近（約為35%），F(xiàn)CC 點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的彈性模量和平臺(tái)應(yīng)力（3.2 GPa 和184.6 MPa）顯著高于BCC 結(jié)構(gòu)的屈服強(qiáng)度和模量（1.7 GPa 和80.7 MPa）。FCC 結(jié)構(gòu)的支柱長(zhǎng)度長(zhǎng)于BCC 結(jié)構(gòu)支柱長(zhǎng)度且FCC 結(jié)構(gòu)支柱的傾斜角度大于BCC 結(jié)構(gòu)支柱的傾斜角度，致使FCC 結(jié)構(gòu)的支柱可以更大限度地提供支撐力。與沒(méi)有Z軸支柱的相應(yīng)點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)相比，添加Z軸支柱的BCCZ 和FCCZ 結(jié)構(gòu)的相對(duì)密度增量較小，但強(qiáng)度和壓縮模量顯著提高。FCCZ 結(jié)構(gòu)的相對(duì)密度僅為FCC 結(jié)構(gòu)相對(duì)密度的1.14 倍，但FCCZ 結(jié)構(gòu)的平臺(tái)應(yīng)力（302.1 MPa）是FCC 結(jié)構(gòu)的平臺(tái)應(yīng)力的1.65 倍。這是因?yàn)锽CC 和FCC 結(jié)構(gòu)通常表現(xiàn)出結(jié)點(diǎn)彎曲主導(dǎo)的力學(xué)響應(yīng)，而含有Z軸支柱的BCCZ 和FCCZ 結(jié)構(gòu)則轉(zhuǎn)變?yōu)檩S向壓縮主導(dǎo)結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)。

表1 四種點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)樣品的準(zhǔn)靜態(tài)壓縮性能Table 1 Quasi static compression properties of four lattice structure samples

圖6 SLM 成形四種FeCrNi 中熵合金點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的壓縮真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線Fig.6 Compression true stress-strain curves of four FeCrNi medium-entropy alloy lattice structures formed by SLM

圖7 為四種點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)壓縮應(yīng)變與比能量吸收值曲線圖。隨著壓縮應(yīng)變量的增加，比能量吸收值總體呈單調(diào)遞增趨勢(shì)，根據(jù)能量吸收值增速的快慢分為3 個(gè)階段：（1）能量吸收值較小的初始階段。此階段能量吸收值增速緩慢，與真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線的線彈性階段相對(duì)應(yīng)，因?yàn)榇穗A段的應(yīng)力相對(duì)較低，且應(yīng)變較小，所以構(gòu)成的積分曲線面積較小，導(dǎo)致此階段的能量吸收值較??；（2）能量吸收值均勻增加階段。此階段處于屈服平臺(tái)時(shí)期，應(yīng)力變化較小，所以比能量吸收值增速接近定值；（3）能量吸收值快速增加階段。此階段點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)開(kāi)始致密化，應(yīng)力隨應(yīng)變快速增大，此時(shí)積分曲線的面積增加變得較快。點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)在壓縮過(guò)程中單位體積所吸收的能量等于壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線所包圍的面積，其與密度的比為比能量吸收值，將達(dá)到55%的應(yīng)變量作為塑性變形階段結(jié)束的標(biāo)志以計(jì)算樣品的能量吸收值。各點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)單位體積吸收能量和比能量吸收值如表2 所示。FeCrNi 中熵合金點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)顯示出更好的延展性，允許其在達(dá)到致密化前充分有效地吸收能量。由于高彈性模量和平臺(tái)應(yīng)力，F(xiàn)CCZ 結(jié)構(gòu)的單位體積能量吸收和比能量吸收值最高，分別為151.0 MJ·m-3和49.8 J·g-1。 其次是BCCZ 結(jié)構(gòu)及FCC 結(jié)構(gòu)，BCC 結(jié)構(gòu)的單位體積能量吸收和比能量吸收值最低。結(jié)果表明，Z軸支柱的加入顯著增加了點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)能量吸收能力，因?yàn)槠淇勺畲笙薅鹊靥峁┲瘟η也粫?huì)顯著提高相對(duì)密度。FCCZ 結(jié)構(gòu)優(yōu)異的能量吸收性能賦予其更高的材料使用效率，適用于旨在最大化能量吸收的場(chǎng)景。

表2 四種點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的吸能性質(zhì)Table 2 Energy absorption properties of four lattice structures

圖7 四種FeCrNi 中熵合金點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)壓縮比能量吸收值-真應(yīng)變曲線圖Fig.7 Specific energy absorption-true strain curves of four FeCrNi medium entropy alloy lattice structures

為降低相對(duì)密度對(duì)不同點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)材料的吸能性能的影響，選用比能量吸收值來(lái)比較SLM 成形的不同F(xiàn)eCrNi 中熵合金點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)和一些其他競(jìng)爭(zhēng)點(diǎn)陣材料的吸能特性，如圖8 所示。在四種FeCrNi 中熵合金點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)中，F(xiàn)CCZ 點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的比能量吸收值最大，為49.8 J·g-1，并且明顯高于Ti6Al4V 和316L 不銹鋼FCCZ 點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)材料［23-24］。因?yàn)樵诟咚賱?dòng)態(tài)沖擊過(guò)程中，Ti6Al4V 點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)材料協(xié)調(diào)變形能力差導(dǎo)致結(jié)構(gòu)較早崩潰而停止吸能，316L 不銹鋼點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)材料協(xié)調(diào)變形能力良好但強(qiáng)度較低，故兩者比能量吸收值較低。

圖8 SLM 制造的不同點(diǎn)陣材料和一些其他競(jìng)爭(zhēng)點(diǎn)陣材料的靜態(tài)沖擊比能量吸收值吸收Fig.8 Static impact specific energy absorption of four lattice materials manufactured by SLM and some other competing lattice materials

2.3 FeCrNi 點(diǎn)陣材料準(zhǔn)靜態(tài)壓縮變形行為模擬

圖9 為BCC，BCCZ，F(xiàn)CC 和FCCZ 點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)在準(zhǔn)靜態(tài)壓縮下，應(yīng)變?chǔ)艦?%，25%，35%和50%時(shí)有限元模擬應(yīng)力云圖。當(dāng)ε為1%，即變形剛發(fā)生時(shí)，BCC點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中發(fā)生在節(jié)點(diǎn)處，BCCZ 點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中發(fā)生在豎直支柱以及傾斜支柱間的結(jié)點(diǎn)上，F(xiàn)CC 點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中主要發(fā)生在傾斜支柱上，F(xiàn)CCZ 點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中在豎直支柱和傾斜支柱上。當(dāng)應(yīng)力集中在結(jié)點(diǎn)上時(shí)，點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的壓縮過(guò)程以彎曲變形為主導(dǎo)；當(dāng)應(yīng)力集中在支柱上時(shí)，點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的壓縮過(guò)程以軸向壓縮變形為主導(dǎo)。典型的結(jié)點(diǎn)彎曲主導(dǎo)的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)通常表現(xiàn)出相對(duì)較低的強(qiáng)度和高度順應(yīng)性，壓縮時(shí)的平臺(tái)應(yīng)力基本恒定。相反，典型的軸向壓縮主導(dǎo)結(jié)構(gòu)通常表現(xiàn)出高強(qiáng)度，塑性坍塌后出現(xiàn)循環(huán)性平臺(tái)應(yīng)力。但作為點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)基體材料的FeCrNi 中熵合金具有良好的塑性，致使點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)具有良好的協(xié)調(diào)變形能力，因此變形以軸向壓縮主導(dǎo)的FeCrNi 中熵合金FCCZ 點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)基本恒定的平臺(tái)應(yīng)力。

圖9 BCC，BCCZ，F(xiàn)CC 和FCCZ 點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)準(zhǔn)靜態(tài)壓縮下不同應(yīng)變的有限元模擬應(yīng)力云圖Fig.9 Finite element simulation stress cloud plots of BCC，BCCZ，F(xiàn)CC，F(xiàn)CCZ lattice structures under quasi-static compression at different strains

圖10 比較了從準(zhǔn)靜態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)測(cè)試和仿真模擬中獲得的BCC，BCCZ，F(xiàn)CC 和FCCZ 點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。四種點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的仿真模擬剛度始終大于實(shí)驗(yàn)所測(cè)的剛度，且BCC 和FCC 點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的剛度偏差小于BCCZ 和FCCZ 點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的剛度偏差。這一發(fā)現(xiàn)與先前比較點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)模擬和實(shí)驗(yàn)行為的研究一致。例如，Maconachie 等［25］的研究表明，對(duì)于響應(yīng)高度依賴于方向的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，例如當(dāng)包括面向構(gòu)建方向的支柱（Z軸支柱）時(shí)，模擬和實(shí)驗(yàn)曲線之間存在更大的誤差，因?yàn)檫@些結(jié)構(gòu)對(duì)加載方向的變化非常敏感。而四種點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)仿真模擬所得的平臺(tái)應(yīng)力和壓縮實(shí)驗(yàn)塑性變形階段的平臺(tái)應(yīng)力吻合良好，且實(shí)驗(yàn)時(shí)四種點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)進(jìn)入致密化階段均快于仿真模擬，因?yàn)閷?shí)際樣品會(huì)因激光精度不足、粉末粘連、未全致密等因素使支柱直徑略大于仿真模擬結(jié)構(gòu)，支柱壓縮后更快接觸因此應(yīng)力快速提高。綜上所述，采用Abaqus 軟件進(jìn)行仿真模擬所得的應(yīng)力-應(yīng)變曲線雖然無(wú)法完全與實(shí)驗(yàn)所得的應(yīng)力-應(yīng)變曲線完美匹配，尤其是對(duì)剛度的預(yù)測(cè)存在較大誤差，但仿真模擬所得到的不同應(yīng)變下的應(yīng)力云圖、變形行為以及塑性變形階段的平臺(tái)應(yīng)力與實(shí)驗(yàn)所得信息匹配良好。同時(shí)，有限元仿真模擬可作為一種有效的預(yù)測(cè)不同點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)變形模式以及應(yīng)力大致區(qū)間的方法，用于實(shí)驗(yàn)前期點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與調(diào)控。

圖10 準(zhǔn)靜態(tài)壓縮測(cè)試和仿真模擬的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線對(duì)比圖（a）BCC；（b）BCCZ；（c）FCC；（d）FCCZFig.10 Comparison diagram of stress-strain curve of lattice structure by quasi-static compression test and simulation（a）BCC；（b）BCCZ；（c）FCC；（d）FCCZ

3 結(jié)論

（1）采用SLM 方法制備的FeCrNi 中熵合金點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)整體節(jié)點(diǎn)搭接良好，成形質(zhì)量高，熔池交錯(cuò)堆疊致密。激光在點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)中掃描路徑的不連續(xù)性使得固液界面前沿的凝固速率大，促進(jìn)晶粒細(xì)化，使材料具備了更高的強(qiáng)度和塑性。

（2）相對(duì)密度在35%~40%范圍時(shí)，BCC，BCCZ，F(xiàn)CC 和FCCZ 點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的比強(qiáng)度和比能量吸收值依次升高。FCCZ 點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的FeCrNi 中熵合金材料比能量吸收值達(dá)到49.8 J·g-1，顯著高于Ti6Al4V 及316L 不銹鋼點(diǎn)陣材料。

（3）FeCrNi 中熵合金點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)材料變形過(guò)程包括彈性變形、塑性變形和致密化三個(gè)階段。FCCZ 和BCCZ 結(jié)構(gòu)相較于FCC，BCC 結(jié)構(gòu)具有更高的強(qiáng)度和模量，其主要原因是Z型支柱的增加導(dǎo)致變形行為由結(jié)點(diǎn)彎曲主導(dǎo)向軸向壓縮主導(dǎo)轉(zhuǎn)變，使點(diǎn)陣材料的表觀強(qiáng)度和剛度顯著提高。