CN112743088B - 一种菱形十二面体钛合金点阵结构、夹层结构及制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种菱形十二面体钛合金点阵结构、夹层结构及制造方法，属于航空航天领域材料领域。本发明的TA15钛合金点阵结构，点阵结构包括多个单胞，单胞在空间重复并相互连接形成点阵结构；单胞包含一个菱形十二面体和八个钝角杆，菱形十二面体每条棱为一根连接杆；菱形十二面体包含八个钝角顶点和六个锐角顶点，钝角顶点向外连接一个钝角杆并通过连接杆与三个锐角顶点相连，锐角顶点分别通过连接杆与四个钝角顶点相连；菱形十二面体由12个全等的菱形构成，菱形的两条对角线之比为

菱性边长是十二面体高的61.2％，锐角是70.5°，钝角是109.5°。利用本发明设计与制备的TA15钛合金材料结构减重可达30％～80％，具有良好的轻量化效果，可广泛用于航空航天材料。

Description

一种菱形十二面体钛合金点阵结构、夹层结构及制造方法

技术领域

本发明涉及航空航天材料技术领域，尤其涉及一种菱形十二面体钛合金点阵结构、夹层结构及制造方法。

背景技术

钛合金以其优异的综合机械性能和良好的抗腐蚀性能，而且能够进行铸造、焊接、旋压、喷丸、超塑、机械加工等各种方式的加工成形，被广泛应用于航空器的结构件、连接件和发动机上。现今，钛合金用量占飞机整体质量的百分比已成为衡量飞机用材先进程度的一个重要标志，飞机上钛合金的用量也在随飞机设计要求和性能水平的提高而增加。TA15钛合金的名义成分为Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1V，其Al当量为6.85％，属于高Al当量的近α型钛合金。其强化机制是依靠α相稳定性元素Al的固溶强化，添加中性稳定元素Zr和少量β稳定元素Mo与V。退火状态的近α型钛合金组织为α相和少于10％的β相，成形性能有所改善，并具有一定的热处理强化特性。TA15钛合金兼具α型钛合金的优异的高温机械性能、可焊性和接近于α+β型钛合金的蠕变抗力及持久性能。因而，TA15钛合金被用于民航和军用飞机上高温承力的一些重要结构件，例如飞机的梁、接头、大型壁板、发动机叶片等。

轻质多孔金属结构是随着多功能需求的材料制备以及机械加工技术的迅速发展而出现的一类新颖多功能材料，是材料的选择及其性能研究的新方向。蜂窝结构作为经典的轻质夹层结构己经广泛应用于飞机、高铁、地铁的壁板、舱门防护壳体等重要结构件。三维点阵结构作为新一代轻质结构被提出，其芯体在结构上类似于桁架结构的空间网架，三维点阵夹层结构相对蜂窝等传统二维点阵结构，内部空间更利于布置管道、填充相关介质实现主动散热、抗震爆、电磁波隐身等功能，在飞机结构应用特别是结构功能一体化应用中具有广泛的应用前景。从三维点阵结构提出至今，技术人员为了得到结构更佳、性能更优的点阵夹层结构，先后提出了四面体型、金字塔型、X型、3D-Kagome型、沙漏型及编织物结构拓扑等多种不同的芯体构型。三维点阵结构不仅具有轻质高强的特点，其良好的内部空间还易于实现承载吸能、抗震抗爆、抑振散热、电磁波隐身等多功能，结构性能优越。

鉴于TA15钛合金优良的材料性能，在TA15合金上使用三维点阵夹层结构既保证材料的优异性能，又能使钛合金更加轻量化。现有技术中有熔模铸造法、金属丝编织法、拉压放电切割法、拉伸折叠法、节点下压法、拼搭焊接法、线切割嵌锁法、超塑成形/扩散连接法多种制备工艺。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种菱形十二面体TA15钛合金点阵结构、夹层结构及制造方法，采用该点阵结构的钛合金点阵夹层结构具有良好的内部空间，还易于实现承载吸能、抗震抗爆、抑振散热、电磁波隐身等多功能，具有结构性能优越且轻量化的轻质高强的特点。

一方面，本发明提供一种菱形十二面体TA15钛合金点阵结构，所述点阵结构包括多个单胞，单胞在空间重复并相互连接形成点阵结构；

所述单胞包含一个菱形十二面体和八个钝角杆，所述菱形十二面体每条棱为一根连接杆；所述菱形十二面体包含八个钝角顶点和六个锐角顶点，所述钝角顶点向外连接一个钝角杆并通过连接杆与三个锐角顶点相连，所述锐角顶点分别通过连接杆与四个钝角顶点相连；

所述菱形十二面体由12个全等的菱形构成，所述菱形的两条对角线之比为

菱性边长是十二面体高的61.2％，锐角是70.5°，钝角是109.5°。

进一步地，所述连接杆两端面为两个相互平行的相对于连接杆质心中心对称的等边三角形。

进一步地，所述连接杆具有6条连接杆棱，所述连接杆棱由连接杆端面三角形的每一顶点与另一端面三角形中距离相等的两个顶点连接而成。

进一步地，所述钝角杆和连接杆完全相同。

进一步地，所述杆件长度为10mm至30mm，所述杆件的横截面的面积为0.8mm²至3.2mm²。

一方面，本发明提供一种菱形十二面体TA15钛合金点阵夹层结构，包括上述点阵结构。

进一步地，所述点阵夹层结构自上而下由上壁板、点阵夹层和下壁板三层结构组成；

所述点阵夹层由所述点阵结构组成，所述点阵结构的多个单胞在空间重复并互相连接，每个单胞锐角顶点构成的对称面与上壁板面和下壁板面平行或垂直，上壁板的下表面与点阵结构的上层单胞中杆件的杆件远离中心杆的一端连接，下壁板的上表面与点阵结构的下层单胞的杆件远离中心杆的一端连接。

另一方面，本发明提供一种菱形十二面体TA15钛合金点阵夹层结构的制造方法，用于制备上述TA15钛合金点阵夹层结构，包括以下步骤：

步骤1.根据轻量化与强度要求确定点阵结构；

步骤2.确定包围点阵的薄壁厚度，确定点阵单胞中杆件的尺寸；

步骤3.选取TA15钛合金球形粉末作为成形原料；

步骤4.在成形室中，以TA15钛合金为成形基板，用氩气洗气降低成形室含氧量，洗气完成后预热成形基板；

步骤5.采用激光选区熔化成形工艺在成形室制备点阵夹层结构，用橡胶刮刀铺粉，通过激光束对粉末的快速熔化、凝固，逐层叠加，直至点阵夹层结构完全成形；

步骤6.熔化成形后，在成形室先保温再自然冷却至室温。

进一步地，所述步骤3中，TA15钛合金球形粉末粒径范围为15μm至53μm，粒径分布为d10:15μm至25μm，d50:25μm至35μm，d90:35μm至53μm，流动性≤40s/50g。

进一步地，所述步骤4中用氩气洗气将成形室氧含量降至≤0.02％，洗气完成后预热成形基板至120℃至140℃。

进一步地，所述步骤5中，激光选区熔化功率为300W至350W，扫描速度为1000mm/s至1300mm/s，扫描线间距为10μm至25μm，粉末层厚度为50μm至60μm。

进一步地，所述步骤5中刮刀铺粉的速度为20mm/s至40mm/s。

与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：

1、点阵夹层结构是一种减重结构，在航空航天领域可作为减重结构。通常有两种途径可以改善部件的强度-重量比。传统制造中，是通过减少非关键区域的材料来减少材料的使用，以减轻重量。而点阵设计却可以同时减少零件非关键区域中的材料以减轻重量，可以提高强度–重量比。本发明提供了一种菱形十二面体TA15钛合金点阵结构，通过使用点阵夹层结构，使得具有点阵夹层结构的TA15钛合金材料与未采用点阵结构的致密的材料具有相同或接近的力学强度，实现了结构件的轻量化。

2、本发明中的TA15钛合金采用了点阵夹层结构，相比传统未采用点阵结构的致密的TA15钛合金，本发明的TA15钛合金点阵夹层结构减重30％-80％，有效降低了航空航天材料的重量，达到了材料的轻量化。

3、基于本发明提供的TA15钛合金点阵结构的结构件，不仅重量轻，而且可以释放大量的表面积，能够促进热交换和化学反应。该点阵结构可以显著增大有效表面积，如果散热器中充满冷空气，也可以快速带走热量。在汽车、航空航天、能源领域使用点阵结构可有效提高热交换效率。在燃气涡轮发动机部件内部设计点阵结构，它们的作用是为燃气涡轮发动机部件提供有效的局部对流冷却，使得部件可以经受通过核心流动路径的热燃烧气体的高温。由于点阵结构的存在，发动机保持了广泛的热交换表面，可以获得较高的散热表面/体积比。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为实施例二点阵夹层结构正视图；

图2为实施例二点阵夹层结构轴视图；

图3为点阵单胞正视图；

图4为点阵单胞轴测图；

图5为连接杆两端面沿轴向方向投影示意图；

图6为连接杆的轴向结构方向示意图；

图7为连接杆的正视示意图；

图8为连接杆的侧视示意图。

附图标记：

1-钝角杆；2-连接杆；3-钝角顶点；4-锐角顶点；5-连接杆棱；6-连接杆端面。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

钛合金以其优异的综合机械性能和良好的抗腐蚀性能，而且能够进行铸造、焊接、旋压、喷丸、超塑、机械加工等各种方式的加工成形，被广泛应用于航空器的结构件、连接件和发动机上。TA15钛合金的名义成分为Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1V，是一种广泛应用于航空航天领域的重要结构金属，具有强度高、耐蚀性好、耐热性高、导热性好、密度低的优点，兼具α型钛合金的优异的高温机械性能、可焊性和接近于α+β型钛合金的蠕变抗力及持久性能。因而，TA15钛合金被用于民航和军用飞机上高温承力的一些重要结构件，例如飞机的梁、接头、大型壁板、发动机叶片等。三维点阵结构芯体在结构上类似于桁架结构的空间网架。从三维点阵结构提出至今，技术人员先后提出了四面体型、金字塔型、X型、3D-Kagome型、沙漏型及编织物结构拓扑等多种不同的芯体构型。现有技术中有熔模铸造法、金属丝编织法、拉压放电切割法、拉伸折叠法、节点下压法、拼搭焊接法、线切割嵌锁法、超塑成形/扩散连接法多种制备工艺。

三维点阵结构的钛合金具有良好的内部空间还易于实现承载吸能、抗震抗爆、抑振散热、电磁波隐身等多功能，结构性能优越且轻量化的轻质高强的特点，本发明提供了一种新的TA15钛合金点阵夹层结构，并提供其制造方法。

本发明设计的TA15钛合金的点阵夹层结构，该点阵夹层结构自上而下由上壁板、点阵和下壁板三层结构组成，其中上层和下层均为薄壁结构，也就是说该点阵夹层结构由薄壁和点阵组成，薄壁为包围点阵的上下两层，两层薄壁中间以点阵填充形成轻量化三层夹层结构。

本发明提供一种菱形十二面体TA15钛合金点阵结构，点阵结构包括多个单胞，单胞在空间重复并相互连接形成点阵结构；

单胞包含一个菱形十二面体和八个钝角杆，菱形十二面体每条棱为一根连接杆；菱形十二面体包含八个钝角顶点和六个锐角顶点，钝角顶点向外连接一个钝角杆并通过连接杆与三个锐角顶点相连，锐角顶点分别通过连接杆与四个钝角顶点相连；

菱形十二面体由12个全等的菱形构成，菱形的两条对角线之比为1:√2，菱性边长是十二面体高的61.2％，锐角是70.5°，钝角是109.5°。

具体的，连接杆两端面为两个相互平行的相对于连接杆质心中心对称的等边三角形。

具体的，连接杆具有6条连接杆棱，连接杆棱由连接杆端面三角形的每一顶点与另一端面三角形中距离相等的两个顶点连接而成。具体的，钝角杆和连接杆完全相同。

一种可能的改进是，上壁板和下壁板均为薄壁结构，厚度为0.5-2mm。

具体的，上下壁板之间点阵的厚度为5mm至50mm。

航空航天材料要求材料具有轻质高强的特点，薄壁作为点阵夹层结构中最致密的部分，其厚度越厚，材料结构强度越高。同时，薄壁厚度越厚，材料平均密度越高，越远离轻量化。因此在保证强度的情况下薄壁厚度越薄越轻量化，越复合航空航天领域对材料的需求，本发明设计方案薄壁厚度最低可达0.5mm，同时薄壁厚度最大不超过2mm。

一种可能的改进是，杆件长度为10-30mm。

单胞杆件尺寸同样是本发明设计的点阵夹层结构中极为重要的参数，单胞杆件尺寸越小，单位空间内夹层中所重复填充的单胞杆件越多，材料的结构强度越优异。但同时，单胞杆件尺寸越小，空间夹层内单胞杆件越多，夹层空间被填充的越致密，夹层减重效果越差，轻量化效果越差。因此控制单胞杆件的尺寸在10-30mm之间。

一种可能的改进是，杆件横截面的面积为0.8mm²至3.2mm²。

杆件横截面的面积也是本发明设计的点阵夹层结构中极为重要的参数，杆件横截面的面积越小，杆件越细，单位空间内所填充的TA15合金越少，材料减重效果越好，轻量化越好，因此杆件横截面的面积设计在3.2mm²以下。但同时，杆件横截面的面积太小，杆件太细会造成点阵夹层结构的受力能力变差，结构强度下降，因此杆径设计最小值为0.8mm²。

需要说明的是，常见的三维点阵结构的实现方法有熔模铸造法、金属丝编织法、拉压放电切割法、拉伸折叠法、节点下压法、拼搭焊接法、线切割嵌锁法、超塑成形/扩散连接法。

熔模铸造法采用传统熔融金属铸造的工艺制备金属三维点阵结构。由于三维点阵结构形状复杂，需要用聚酯先做成牺牲模，并涂覆陶瓷涂层；将聚酯熔掉后留下陶瓷型壳，制备砂型；之后将熔融金属液体注入，冷却成形后去除表层陶瓷。采用熔模铸造法使用的材料主要包括：Ti6Al4V、Ti6Al2Sn4Zr2Mo和铝/硅合金、铜/铍合金、In718等。熔模铸造法作为最早提出三维点阵概念时研发的制备方法之一，有效地将三维点阵从概念变为实物，但是该工艺存在对熔融金属液态材料有较高的流动性要求，聚酯芯模制作复杂且只能一次性使用，金属熔化能耗高.铸造成形易产生缺陷等缺点。

节点下压塑性变形法制备点阵芯体，将预制的网状板置于模具中，上模具的成形销对网状板上相应节点进行下压，将平面网板成形为三维点阵形体，之后再采用钎焊方法将面芯连接。相较于弯曲折叠塑性成形手段，节点下压塑性变形法能够将塑性变形沿桁架杆长度方向较均匀分布，有效改善折弯成形中出现的节点位置应变集中，而且工艺制备效率高。但是该方法对模具材料要求高，对于屈强比高的金属材料，常温下很难成形，且成形后容易回弹，难以保证成形精度。

线切割嵌锁组装的工艺制备铝合金三维点阵结构，工艺步骤主要为：(1)线切割制备带槽嵌锁条；(2)将嵌锁条磷酸阳极化，去除嵌锁条表面致密的Al₂O₃氧化膜和其他污垢；(3)嵌锁组装，胶膜粘接；(4)高温固化。该方法能够通过合理设计切割嵌锁条图形的排布提高材料利用率，工艺成本低，但是嵌锁组装过程需要注意各节点在同一平面，并保证上下面板对齐，工艺繁琐，制备效率低，且胶接难以保证面板与芯体节点的连接强度，因此无法满足航天领域对钛合金材料强度的要求。

超塑成形/扩散连接工艺的原理为：将预制的上下面板涂覆相应图形的止焊剂，使之在对应节点位置分别与芯板的上下表面扩散连接：通过超塑成形过程，上下面板带动连接节点分别向上下方向运动.桁架杆发生均匀塑性变形，平面网状芯板成形为三维点阵芯体。该方法构思巧妙，超塑成形模具简单，成形精度高，效率高，可用于大尺寸、大批量生产。但该方法需要预先制备平面网状芯板，对于单层点阵结构制造应用尚可，对于非单层的点阵结构的制造需要重复多次制备平面网状芯板，工艺繁琐复杂，因此几乎不可能在本申请的复杂多层的点阵结构中应用。

上述方法存在以下问题：

(1)熔模铸造法属于传统熔融金属铸造的工艺，对熔融金属液态材料有较高的流动性要求，铸造成形易产生缺陷无法满足本申请的航空领域的钛合金点阵夹层结构制备的要求；

(2)节点下压塑性变形法制备点阵芯体，对于屈强比高的金属材料，常温下很难成形，且成形后容易回弹，难以保证成形精度，对具有极高精密度要求的本申请的航空领域的轻量化点阵夹层结构亦不能满足要求；

(3)线切割嵌锁组装的工艺制备铝合金三维点阵结构，嵌锁组装过程需要注意各节点在同一平面，并保证上下面板对齐，工艺繁琐，制备效率低，且胶接难以保证面板与芯体节点的连接强度，对铝合金点阵的制备尚有一定缺陷，更加难以在本申请的钛合金材料上应用；

(4)超塑成形/扩散连接工艺，该方法虽然构思巧妙，超塑成形模具简单，成形精度高，但对于非单层的点阵结构的制造需要重复多次制备平面网状芯板，工艺繁琐复杂，因此几乎不可能在本申请的复杂多层的点阵结构中应用。

鉴于此，本发明通过激光选区熔化成形实现上述设计的TA15钛合金点阵夹层结构的制造。

本发明提供的上述的菱形十二面体TA15钛合金的点阵夹层结构的制造方法，包括以下步骤：

步骤1.根据轻量化与强度要求设计点阵结构；

步骤2.确定包围点阵的薄壁厚度，确定点阵单胞中杆件的尺寸，确定单胞中杆件杆径；

步骤3.选择TA15钛合金球形粉末原料；

步骤4.在成形室中，使用TA15钛合金作为成形基板，用氩气洗气降低成形室含氧量，洗气完成后预热底板；

步骤5.采用激光选区熔化成形工艺在成形室制备点阵夹层结构，用橡胶刮刀铺粉，通过激光束对粉末的快速熔化、凝固，逐层叠加，直至点阵夹层结构完全成形；

步骤6.熔化成形后，在成形室先保温再自然冷却至室温。

根据轻量化与强度指标，根据零件的工况(结构件的受力情况，导热的功能件)，通过结构优化设计软件确定可以做成点阵的部位，将该部位用点阵替代，然后再进行成形工艺仿真，选择成形风险最小的点阵类型及点阵杆径。夹层的壁厚一般根据轻量化指标，若整体重量超重，则减小壁厚，达到重量要求。

步骤3中，TA15钛合金球形粉末粒径范围为15-53μm，粒径分布为d10:15-25μm，d50:25-35μm，d90:35-53μm，(三种粒径的粉末用量没有要求，粒径分布范围在15μm～53μm即可)流动性≤40s/50g。

需要说明的是，在菱形十二面体TA15钛合金点阵夹层结构的制造方法中，TA15钛合金球形粉末颗粒在激光照射下熔融成形，对颗粒的粒径有严格的限制，粒径过大，会导致难以熔融，造成成形的材料中含有未充分熔融的金属颗粒。而粒径过小，合金球形粉末颗粒因太小而极易发生熔融，会导致激光照射区域附近的颗粒受到热传导发生熔融，难以控制形状。因此，控制粒径范围为15-53μm。除控制颗粒的总粒径范围外，还需对各尺寸粒径的分布进行精确控制，d10:15-25μm，d50:25-35μm，d90:35-53μm。粉末流动性能与很多因素有关，如粉末颗粒尺寸、形状和粗糙度、比表面等。一般地说，增加颗粒间的摩擦系数会使粉末流动困难。通常球形颗粒的粉末流动性最好，而颗粒形状不规则、尺寸小、表面粗糙的粉末，其流动性差。因此根据激光选区熔融限定TA15钛合金球形粉末颗粒流动性≤40s/50g。

一种可能的改进是，步骤4中用氩气洗气将成形室氧含量降至≤0.02％，洗气完成后预热底板至120～140℃。

预热底板能够降低TA15钛合金成形过程中的残余应力，减小零件开裂的风险，本发明选择预热温度为120～140℃。

一种可能的改进是，步骤5中，激光选区熔化功率为300～350W，扫描速度为1000-1300mm/s，扫描线间距为10～25μm，粉末层厚度为50～60μm。

需要指出的是，在扫描速度一定时，若激光功率低，则无法完全熔化扫描线的粉末，使得粉末无法完全熔化或处于烧结态，使得成型零件中孔隙增多，降低致密度和力学性能，在成型零件时容易形成孔洞；相反，如果功率过高，同样也不利于成型。这是因为在高的激光功率作用下，粉末可吸收的能量增多，金属粉末量熔化更多，容易使熔融金属向两侧流淌，导致熔池变宽。使得在薄壁件成型时壁宽精度无法保证；同时熔融金属的增多使冷却凝固时间加长，更容易吸附熔池附近的粉末粘结在扫描线上，在单道多层成型时粘附的粉末造成表面粗糙且影响尺寸精度；在薄壁件的侧面分析中可以看出零件在成型过程中仍然吸附了粉末。另一方面，大的熔池表面积其固液界面的表面张力也相对较大，使得熔液球化的趋势更明显。这些均不利于精密成型，因此，在扫描速度一定的情况下，要选择合适的激光功率。通常，在成型过程中，要将激光功率与扫描速度的选择相互结合起来，在合适的匹配条件下成型零件。在激光功率一定时，随着扫描速度的提高，熔池宽度减小，可获得较为细小的熔道。在较低的扫描速率下(＜1000mm)，成形试样中存在较多分布不均匀的圆形孔洞。但是速度过大超过1300mm/s时，无法形成连续的扫描线。高速度扫描时，扫描线质量较差，且产生了球化现象。这是因为高的扫描速度下，粉末吸收的能量下降，在扫描线上由于热积累的作用，使得有一段或部分粉末熔化，而熔化了的金属粉末将未扫描的粉末吸附过来团聚在一起形成小球状，造成扫描线断裂，这就势必在薄壁件成型时造成层与层之间无法完全融合或者出现孔隙。在激光功率较高时，由提高速度引起的扫描线断裂现象较弱。因此选择激光选区熔化功率为300～350W，扫描速度为1000-1300mm/s。

扫描线间距h是指相邻两个熔道中心线之间的距离。在激光功率、扫描速率、铺粉层厚固定的条件下，只改变扫描线间距h(5、10、15、20、25、30μm)对TA15钛合金进行成形，对不同扫描线间距下获得试样的致密度进行测定，发现试样的致密度随扫描线间距的增大呈现先增加再减小的趋势：当扫描线间距从10μm增加到20μm，试样的致密度增大达到最大；当扫描线间距进一步增大到25μm时，试样的致密度又略为减小。而当扫描线间距小于10μm或大于25μm时，式样致密度急剧下降。本发明的扫描线间距控制为10μm-25μm，所成形的TA15试样成形质量均较好，几乎观察不到明显孔洞等缺陷。

一种可能的改进是，步骤5中刮刀铺粉的速度为20-40mm/s。

需要说明的是，刮刀铺粉的速度在本发明方案中有着重要的影响。制造过程中使用的材料为金属粉末材料，在激光熔化每一层之前，铺粉系统需要把金属粉末铺平。本发明要求铺粉速度不能太快，铺粉速度过快，由于刚刚激光熔融后重新结晶凝结的点阵还未实现完全固化，刮刀铺粉过快会刮坏已经成形的点阵结构，另一方面刮刀铺粉过快也使铺粉不均匀，有些地方粉末厚，有些地方粉末薄，造成熔融后成形的结构不均匀。而铺粉速度过慢的话对点阵的成形影响不大，但延长打印时间，降低效率。因此必须严格控制刮刀铺粉速度为20-40mm/s。

一种可能的改进是，步骤6中，点阵夹层结构激光选区熔化成形后在成形室先保温再自然冷却至室温，保温温度130～200℃，保温时间2～3h。

实施例一

本实施例提供一种菱形十二面体TA15钛合金点阵结构。

点阵结构包括多个单胞，单胞在空间重复并相互连接形成点阵结构，单胞结构如图3和图4所示，单胞包含一个菱形十二面体和八个钝角杆1，菱形十二面体共二十四条棱，每条棱为一根连接杆2；

菱形十二面体包含八个钝角顶点3和六个锐角顶点4，

钝角顶点3向外连接一个钝角杆1并通过连接杆2与三个锐角顶点4相连，锐角顶点4通过连接杆2与四个钝角顶点3相连；

菱形十二面体由十二个全等的菱形构成，所述菱形的两条对角线之比为

菱性边长是十二面体高的61.2％，锐角是70.5°，钝角是109.5°；

如图5所示，连接杆2两端面6为两个边长相等相互平行的等边三角形，连接杆一端端面6在连接杆长度方向上投影旋转60°与连接杆另一端端面6重合；即，连接杆两端面6为两个相互平行的相对于连接杆8质心中心对称的等边三角形。

如图6至图8所示，连接杆2具有六条连接杆棱5，连接杆棱5由连接杆2端面6三角形的每一顶点与另一端面6三角形距离相等的两个顶点连接而成；

钝角杆1和连接杆2完全相同。

钝角杆1和连接杆2长度均为15mm，钝角杆1和连接杆2的横截面的面积均为2.5mm²。

实施例二

本实施例提供了一种菱形十二面体TA15钛合金点阵夹层结构的制造方法：

步骤1.设计并确定点阵结构；

步骤2.确定包围点阵的薄壁厚度为0.8mm，上下壁板之间点阵的厚度为5mm；

步骤3.原料为TA15钛合金球形粉末，控制粒径范围为15～53μm，粒径分布为d10：15～25μm，d50：25～35μm，d90：35～53μm(三者比例无特别要求，粒径分布在15μm～53μm即可)，流动性≤40s/50g；

步骤4.在成形室中，使用TA15钛合金作为成形基板，用氩气洗气将成型室氧含量降至≤0.02％，洗气完成后预热底板至120℃；

步骤5.采用激光选区熔化成形工艺在成形室制备点阵夹层结构，使用橡胶刮刀铺粉，铺粉速度为25mm/s，激光选区熔化功率为300W，扫描速度为1200mm/s，扫描线间距为10μm，粉末层厚度为50μm，通过激光束对粉末的快速熔化、凝固，逐层叠加，直至点阵夹层结构完全成形；

步骤6.点阵夹层结构激光选区熔化成形后在成型室先保温再自然冷却至室温，保温温度120℃，保温时间3h。

本实施例制造的点阵夹层结构如图1和图2所示。通过测试，采用激光选区熔化成形可快速制备出点阵夹层结构，具有制造周期短、成本低的优点，且传统的机加与铸造无法制备出此种结构。点阵夹层结构具有轻量化优点，本发明的实施例的减重分别达到78.5％。

对实施例的样品进行抗压检测，其强度达到743MPa，激光选区熔化成形的TA15拉伸试棒抗拉强度在1100MPa，抗压强度1700MPa左右，能够满足通常点阵夹层结构件的强度要求，同时可以使用此种结构达到减重或者散热的目的。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种菱形十二面体TA15钛合金点阵结构，其特征在于，所述点阵结构包括多个单胞，单胞在空间重复并相互连接形成点阵结构；

所述单胞包含一个菱形十二面体和八个钝角杆，所述菱形十二面体每条棱为一根连接杆；所述菱形十二面体包含八个钝角顶点和六个锐角顶点，所述钝角顶点向外连接一个钝角杆并通过连接杆与三个锐角顶点相连，所述锐角顶点分别通过连接杆与四个钝角顶点相连；

所述菱形十二面体由12个全等的菱形构成，所述菱形的两条对角线之比为

菱性边长是十二面体高的61.2％，锐角是70.5°，钝角是109.5°；

所述连接杆两端面为两个相互平行的相对于连接杆质心中心对称的等边三角形，所述连接杆一端端面在连接杆长度方向上投影旋转60°与所述连接杆另一端端面重合；

所述连接杆具有六条连接杆棱，连接杆棱由所述连接杆端面三角形的每一顶点与另一端面三角形距离相等的两个顶点连接而成；

所述钝角杆和所述连接杆完全相同；

所述钝角杆和连接杆长度均为10mm至30mm，所述钝角杆和连接杆的横截面的面积均为0.8mm²至3.2mm²。

2.一种菱形十二面体TA15钛合金点阵夹层结构，其特征在于，包括权利要求1所述的点阵结构。

3.根据权利要求2所述的菱形十二面体TA15钛合金点阵夹层结构，其特征在于，所述点阵夹层结构自上而下由上壁板、点阵夹层和下壁板三层结构组成；

所述点阵夹层由所述点阵结构组成，所述点阵结构的多个单胞在空间重复并互相连接，每个单胞锐角顶点构成的对称面与上壁板面和下壁板面平行或垂直，上壁板的下表面与点阵结构的上层单胞中杆件的杆件远离中心杆的一端连接，下壁板的上表面与点阵结构的下层单胞的杆件远离中心杆的一端连接。

4.一种菱形十二面体TA15钛合金点阵夹层结构的制造方法，其特征在于，用于制备权利要求3所述的TA15钛合金点阵夹层结构，包括以下步骤：

步骤1.根据轻量化与强度要求确定点阵结构；

步骤2.确定包围点阵的薄壁厚度，确定点阵单胞中杆件的尺寸；

步骤3.选取TA15钛合金球形粉末作为成形原料；

步骤4.在成形室中，以TA15钛合金为成形基板，用氩气洗气降低成形室含氧量，洗气完成后预热成形基板；

步骤5.采用激光选区熔化成形工艺在成形室制备点阵夹层结构，用橡胶刮刀铺粉，通过激光束对粉末的快速熔化、凝固，逐层叠加，直至点阵夹层结构完全成形；

步骤6.熔化成形后，在成形室先保温再自然冷却至室温。

5.根据权利要求4所述的菱形十二面体TA15钛合金点阵夹层结构的制造方法，其特征在于，所述步骤3中，TA15钛合金球形粉末粒径范围为15μm至53μm，粒径分布为d10:15μm至25μm，d50:25μm至35μm，d90:35μm至53μm，流动性≤40s/50g。

6.根据权利要求4所述的菱形十二面体TA15钛合金点阵夹层结构的制造方法，其特征在于，所述步骤4中用氩气洗气将成形室氧含量降至≤0.02％，洗气完成后预热成形基板至120℃至140℃。

7.根据权利要求4所述的菱形十二面体TA15钛合金点阵夹层结构的制造方法，其特征在于，所述步骤5中，激光选区熔化功率为300W至350W，扫描速度为1000mm/s至1300mm/s，扫描线间距为10μm至25μm，粉末层厚度为50μm至60μm。

8.根据权利要求4所述的菱形十二面体TA15钛合金点阵夹层结构的制造方法，其特征在于，所述步骤5中刮刀铺粉的速度为20mm/s至40mm/s。

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