CN115351298B - 一种基于增材制造的近零膨胀点阵金属及制备方法与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于增材制造的近零膨胀点阵金属及制备方法与应用，属于点阵金属的增材制造技术领域。所述点阵金属具有三维双金属点阵结构，该点阵金属由双金属点阵胞元拓展而成，双金属点阵胞元为六面体内嵌桁架结构的三维结构，具有向空间三方向拓展的能力；六面体和桁架结构连接位置设置过渡区域，过渡区域的轮廓不大于胞元的孔棱直径；六面体为一种金属，桁架结构为另一种金属，过渡区域为两种金属的混合体，两种金属的线膨胀系数之比不低于5，两种金属无间隙的界面冶金结合。采用同幅面协同打印、多料筒控制激光同轴送粉工艺将因瓦合金和镍钛合金粉体增材制造成宽温域近零膨胀点阵金属。

Description

一种基于增材制造的近零膨胀点阵金属及制备方法与应用
技术领域
本发明属于点阵金属的增材制造技术领域，具体涉及一种具有近零膨胀特性的点阵金属及制备方法与应用。
背景技术
在航空航天等领域中，由于材料本身的热胀冷缩的自然属性，在太空等极端温度条件下会降低结构的稳定性和安全可靠性，削弱材料的服役性能，甚至造成结构功能部件的破坏。如人造卫星工作过程中经历昼夜交替，温差变化过大极易引起热应力变形造成结构破坏；通信卫星天线支架过大的热膨胀行为会影响天线与地面的正常通信。因此，导航卫星、探测卫星等航空航天装备对高热稳定性结构部件存在迫切需求。
热膨胀系数是衡量材料在温度变化时尺寸改变的核心参数，热膨胀系数数值越低代表材料在温度变化时变形量越小。近零膨胀材料是指材料受到温度变化时产生较小的几何尺寸变化，对温度变化不敏感，热膨胀系数接近于零。目前材料实现近零膨胀性能的方法主要分为两种：一是寻找自然界存在的近零膨胀材料，二是将具有不同热膨胀系数的材料进行复合，利用叠加效应获得近零膨胀材料。虽然自然界少数陶瓷材料表现出近零膨胀特性，但陶瓷由于本身材质脆、断裂韧性低、加工难度高等特点难以在工程实践中应用。相比之下，如今对于近零膨胀材料的研究主要集中在不同热膨胀系数金属材料的复合制备和结构设计上。双金属材料的复合是实现材料近零膨胀特性的重要研究手段，然而不同金属材料由于界面热匹配问题在极端温度变化过程中极易因热应力失效，同时双金属普遍采用装配或组装模式，界面间隙的存在极易影响材料近零膨胀特性的发挥。点阵金属的孔型结构设计是实现材料近零膨胀特性的重要方法，可通过胞元设计、拓扑优化等方法来实现材料的近零膨胀特性。当前研究多以二维点阵结构设计为主，二维点阵结构设计近零膨胀金属仅能实现平面内的近零膨胀特性，阻碍了近零膨胀点阵金属的实际工程应用，亟需发展三维点阵结构的设计及制备工艺的开发。
三维双金属点阵结构具有复杂的构型设计和精确的加工要求，现有的装配、组装等制备工艺难以满足三维双金属点阵结构的需求。增材制造工艺基于工艺约束的设计向基于功能驱动的设计转变，可实现结构功能一体化的设计与制备，增材过程中无模具加入，不受复杂工件形状的制约，可满足三维点阵金属的制备要求。其中，激光同轴送粉增材制造工艺具备同轴送粉的工艺特点，具有打印多材料的潜力，但目前主要集中在垂直打印方向（z轴方向）的多材料或梯度材料的成形，实现平行于打印方向的同幅面（xy平面）不同金属的同时打印难度较大。
目前国内关于近零膨胀金属材料的研究还处于起步阶段，研究较多的是陶瓷材料和少量金属基复合材料，而如何设计并制备具有三方向各向同性的三维宽温域近零膨胀点阵金属则鲜有报道。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于增材制造的近零膨胀点阵金属及制备方法与应用。
本发明的目的之一是设计一种三维双金属点阵结构，通过两种金属材料热力学性能差异与点阵结构变形协同作用，使三维双金属点阵结构在宽温域内实现各向同性的近零膨胀特性。
本发明的另一目的是通过激光同轴送粉增材制造工艺实现近零膨胀点阵金属的制备，使三维点阵结构双金属界面处实现冶金结合，避免装配模式下双金属界面间隙的存在影响结构近零膨胀特性的发挥。
本发明技术方案如下：
一种基于增材制造的近零膨胀点阵金属，所述点阵金属具有三维双金属点阵结构，该点阵金属由双金属点阵胞元拓展而成，双金属点阵胞元为六面体内嵌桁架结构的三维结构，具有向空间三方向拓展的能力；六面体和桁架结构连接位置设置过渡区域，过渡区域的轮廓不大于胞元的孔棱直径；六面体为一种金属，桁架结构为另一种金属，过渡区域为两种金属的混合体，两种金属的线膨胀系数之比不低于5，两种金属无间隙的界面冶金结合；采用激光同轴送粉增材制造工艺制备所述点阵金属。
作为优选的技术方案：
六面体采用因瓦合金制备，桁架结构采用镍钛合金制备。
所述点阵金属具有宽温域近零膨胀特性，所述宽温域为-100℃~1000℃的温度区间，所述近零膨胀特性为在上述宽温域内热膨胀系数绝对值不高于0.5×10-6K-1；所述点阵金属具有各向同性热力学性能，表现为空间三方向具有相同的近零膨胀特征。
所述点阵金属的孔隙率为58%~92%，孔棱直径为1~3mm。
本发明所述双金属点阵胞元结构具有良好的空间拓展性，可保证胞元向空间三方向拓展时胞元之间的完整连接。采用三维设计软件对近零膨胀点阵金属进行参数化建模，采用有限元软件计算点阵金属的热膨胀系数，通过调整孔棱直径、两种金属适用位置等特征参数，实现点阵金属膨胀系数的有效调控。
本发明还提供了所述点阵金属的制备方法，具体步骤如下：
步骤一、采用三维设计软件对近零膨胀点阵金属进行孔型结构的工艺适应性设计，建立双金属点阵结构的三维模型；
步骤二、采用切片软件对步骤一中建立的近零膨胀点阵金属三维模型进行切片化处理，并在同幅面内不同区域设置不同的工艺参数，其中，六面体结构切片区域为第一种工艺参数，送粉材料为因瓦合金粉体；桁架结构切片区域为第二种工艺参数，送粉材料为镍钛合金粉体；六面体和桁架结构连接位置的过渡区域为第三种工艺参数，送粉材料为因瓦合金和镍钛合金的混合粉体；
步骤三、采用激光同轴送粉增材制造工艺在惰性气氛下进行三料筒控制打印：
六面体结构切片区域的工艺参数为：激光功率1000~2500W、扫描速度200~1400mm/min、送粉气流5~25L/min、搭接率50%~70%；
桁架结构切片区域的工艺参数为：激光功率800~2000W、扫描速度150~1000mm/min、送粉气流5~25L/min、搭接率50%~70%；
过渡区域的工艺参数为：激光功率1000~2500W、扫描速度50~600mm/min、送粉气流5~15L/min、搭接率70%~90%；
三种区域单层层厚0.5~0.7mm，光斑直径0.8~3mm；
步骤四、对步骤三所获得的近零膨胀点阵金属进行固溶处理，处理温度为1000℃，处理时间为1~10小时。
作为优选的技术方案：
步骤二中，所述因瓦合金粉体和镍钛合金粉体的平均粒径为20~53μm；所述混合粉体中，因瓦合金和镍钛合金的体积比为1:1~3:1。
步骤三中，采用多路粉末设计与控制软件，完成三种粉体的加料控制及料筒自动切换，实现粉路的联动选取控制，制备出近零膨胀点阵金属。
采用上述方法制备的近零膨胀点阵金属适用于制备航空航天领域极端环境服役条件下的热稳定结构部件，所述热稳定结构部件优选为导航卫星、探测卫星航空航天装备的相机支架。
从现有的近零膨胀材料来看，常见的近零膨胀材料主要以复合材料及二维点阵金属为主。复合材料近零膨胀特性的发挥主要依靠材料内部的相变机制，因此近零膨胀特性只存在于狭窄的温度点。二维点阵金属的近零膨胀特性普遍存在明显的各向异性，使其在实际应用过程中受到极大限制。本发明设计了具有各向同性宽温域近零膨胀特性的三维点阵金属，并通过激光同轴送粉增材制造工艺，在惰性气体氛围保护下，制备了兼具界面结合性能优异、可设计性强等优点的宽温域近零膨胀点阵金属，所述宽温域为-100℃~1000℃的温度区间。
本发明的优点及有益效果是：
1.热膨胀系数近似为零。本发明通过三维点阵结构设计，将一定温度范围内具有不同热膨胀系数的因瓦合金与镍钛合金制备到一起，使材料整体呈现近零膨胀特征，三维近零膨胀点阵金属在适用温度范围内的热膨胀系数绝对值不高于0.5×10-6K-1。
2.宽温域。狭窄的许用温度范围一直是实际应用中影响材料膨胀特性发挥的瓶颈问题。本发明通过双金属点阵结构设计结合增材制造工艺扩大了材料近零膨胀现象的温度区间，本发明的近零膨胀点阵金属服役的温度区间为-100℃-1000℃。
3.空间可拓展性及各向同性。本发明使用六面体内嵌桁架结构的双金属点阵胞元结构，具有很好的空间可拓展性，拓展而成的近零膨胀点阵金属实现了三个方向热力学各向同性，表现为空间三方向上具有相同的热膨胀系数。
4.双金属界面冶金结合。已有二维双金属点阵结构多采用装配方式，界面间隙的存在阻碍了近零膨胀特性的发挥。本发明在双金属连接位置设置过渡区域，通过激光同轴送粉增材制造工艺使两种金属界面冶金结合，保证了点阵金属材料近零膨胀特性的发挥。
附图说明
图1为近零膨胀点阵金属胞元模型示意图。
图2为近零膨胀点阵金属示意图。
图3为实施例1制备的近零膨胀点阵金属热膨胀曲线图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的制备方法进行详细描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
实施例1
本实施例是设计与制备孔隙率为58%的近零膨胀点阵金属；
近零膨胀点阵金属是由双金属点阵胞元拓展而成的，双金属点阵胞元模型如图1所示，双金属点阵胞元具有六面体内嵌桁架结构的三维结构。拓展后的近零膨胀点阵金属孔棱直径为3mm。
采用激光同轴送粉增材制造以因瓦合金与镍钛合金为基体的近零膨胀点阵金属，包括以下步骤：
步骤一、基于激光同轴送粉增材制造工艺特点，采用三维设计软件对近零膨胀点阵金属进行孔型结构的工艺适应性设计，建立双金属点阵结构的三维模型。
步骤二、采用切片软件对步骤一中所建立的双金属点阵结构的三维模型进行切片化处理，获取点阵金属各层切片的截面数据，并在同幅面内不同区域设置不同的工艺参数，包括激光功率、扫描速度、送粉气流、搭接率、单层层厚、光斑直径、粉筒选择等。
其中，六面体结构切片区域为第一种工艺参数，送粉材料为因瓦合金粉体。桁架结构切片区域为第二种工艺参数，送粉材料为镍钛合金粉体。六面体和桁架结构连接位置的过渡区域为第三种工艺参数，送粉材料为因瓦合金和镍钛合金的混合粉体，两者体积比为3:1。
步骤三、采用激光同轴送粉增材制造工艺在惰性气氛下进行三料筒控制打印：
六面体结构切片区域的工艺参数为：激光功率1500W、扫描速度800mm/min、送粉气流15L/min、搭接率70%；
桁架结构切片区域的工艺参数为：激光功率1200W、扫描速度500mm/min、送粉气流15L/min、搭接率70%；
过渡区域的工艺参数为：激光功率2000W、扫描速度500mm/min、送粉气流10L/min、搭接率90%；
三种切片区域单层层厚0.5mm，光斑直径3mm。
采用激光同轴送粉增材制造设备，将两种金属粉体及其混合粉末在惰性气体保护条件下按切片得到的控制参数增材制造成点阵结构。两种金属粉体为因瓦合金和镍钛合金粉末，其平均粒径为20~53μm，打印仓含氧量≤200ppm。
步骤四、对步骤三中所获得的点阵金属进行固溶处理，处理温度为1000℃，处理时间为3小时。获得的近零膨胀点阵金属如图2所述。
本实施例制备的近零膨胀点阵金属材料各个方向测试得到的热膨胀系数近似相同，均为0.25×10-6K-1。不同温度下的热膨胀系数曲线如图3所示。
实施例2
本实施例是设计与制备以孔隙率为75%的近零膨胀点阵金属；
近零膨胀点阵金属是由双金属点阵胞元拓展而成的，双金属点阵胞元具有六面体内嵌桁架结构的三维结构。拓展后的近零膨胀点阵金属孔棱直径为2.5mm。
采用激光同轴送粉增材制造以因瓦合金与镍钛合金为基体的近零膨胀点阵金属，包括以下步骤：
步骤一、基于激光同轴送粉增材制造工艺特点，采用三维设计软件对近零膨胀点阵金属进行孔型结构的工艺适应性设计，建立双金属点阵结构的三维模型。
步骤二、采用切片软件对步骤一中所建立的双金属点阵结构的三维模型进行切片化处理，获取点阵金属各层切片的截面数据，并在同幅面内不同区域设置不同的工艺参数，六面体和桁架结构连接处设置过渡区域，并采用混合的过渡材料保证界面的冶金结合。所述的过渡材料为因瓦合金和镍钛合金的混合粉体，两种粉末的体积比为1:1。
步骤三、采用激光同轴送粉增材制造工艺在惰性气氛下进行三料筒控制打印：
六面体结构切片区域的第一种工艺参数为：激光功率2500W、扫描速度1400mm/min、送粉气流25L/min、搭接率50%；
桁架结构切片区域的第二种工艺参数为：激光功率2000W、扫描速度1000mm/min、送粉气流25L/min、搭接率50%；
过渡区域的第三种工艺参数为：激光功率2500W、扫描速度600mm/min、送粉气流15L/min、搭接率70%；
三种切片区域单层层厚0.6mm，光斑直径3mm。
采用激光同轴送粉增材制造设备，将两种金属粉体及其混合粉末在惰性气体保护条件下按切片得到的控制参数增材制造成点阵结构。两种金属粉体为因瓦合金和镍钛合金粉末，其平均粒径为20~53μm，打印仓含氧量≤200ppm。
步骤四、对步骤三中所获得的点阵金属进行固溶处理，处理温度为1000℃，处理时间为1小时。
本实施例制备的近零膨胀点阵金属材料各个方向测试得到的热膨胀系数近似相同，均为0.43×10-6K-1。
实施例3
本实施例是设计与制备以孔隙率为92%的近零膨胀点阵金属；
近零膨胀点阵金属是由双金属点阵胞元拓展而成的，双金属点阵胞元模型如图1所示，双金属点阵胞元具有六面体内嵌桁架结构的三维结构。拓展后的近零膨胀点阵金属孔棱直径为1mm。
采用激光同轴送粉法制备因瓦合金与镍钛合金为基体的近零膨胀点阵金属，包括以下步骤：
步骤一、基于激光同轴送粉增材制造工艺特点，采用三维设计软件对近零膨胀点阵金属进行孔型结构的工艺适应性设计，建立双金属点阵结构的三维模型。
步骤二、采用切片软件对步骤一中所建立的双金属点阵结构的三维模型进行切片化处理，获取点阵金属各层切片的截面数据，并在同幅面内不同区域设置不同的工艺参数，六面体和桁架结构连接处设置过渡区域，并采用混合的过渡材料保证界面的冶金结合。所述的过渡材料为因瓦合金和镍钛合金的混合粉体，两种粉末的体积比为2:1。
步骤三、采用激光同轴送粉增材制造工艺在惰性气氛下进行三料筒控制打印：
六面体结构切片区域的工艺参数为：激光功率1000W、扫描速度200mm/min、送粉气流5L/min、搭接率50%；
桁架结构切片区域的工艺参数为：激光功率800W、扫描速度150mm/min、送粉气流5L/min、搭接率50%；
过渡区域的工艺参数为：激光功率1000W、扫描速度50mm/min、送粉气流5L/min、搭接率70%；
三种切片区域单层层厚0.7mm，光斑直径0.8mm。
采用激光同轴送粉增材制造设备，将两种金属粉体及其混合粉末在惰性气体保护条件下按切片得到的控制参数增材制造成点阵结构。两种金属粉体为因瓦合金和镍钛合金粉末，其平均粒径为20~53μm，打印仓含氧量≤200ppm。
步骤四、对步骤三中所获得的点阵金属进行固溶处理，处理温度为1000℃，处理时间为10小时。
本实施例制备的近零膨胀点阵金属材料各个方向测试得到的热膨胀系数近似相同，均为0.37×10-6K-1。
对比例
本实验是实施例3的对比例；对比例在设计与打印孔隙率为92%的近零膨胀点阵金属过程中，未在六面体和桁架结构连接处设置过渡区域。其他参数与实施例3完全一致，具体实验步骤如下：
步骤一、基于激光同轴送粉法工艺特点，采用三维设计软件对近零膨胀点阵金属进行孔型结构的工艺适应性设计，建立双金属点阵结构的三维模型。
步骤二、采用切片软件对步骤一中所建立的双金属点阵结构的三维模型进行切片化处理，获取点阵金属各层切片的截面数据，并在同幅面内不同区域设置不同的工艺参数。
步骤三、采用激光同轴送粉增材制造工艺在惰性气氛下进行三料筒控制打印：
六面体结构切片区域的工艺参数为：激光功率1000W、扫描速度200mm/min、送粉气流5L/min、搭接率50%；
桁架结构切片区域的工艺参数为：激光功率800W、扫描速度150mm/min、送粉气流5L/min、搭接率50%；
两种切片区域单层层厚0.7mm，光斑直径0.8mm。
采用激光同轴送粉增材制造设备，将两种金属粉体在惰性气体保护条件下按切片得到的控制参数增材制造成点阵结构。两种金属粉体为因瓦合金和镍钛合金粉末，其平均粒径为20~53μm，打印仓含氧量≤200ppm。
步骤四、对步骤三中所获得的点阵金属进行固溶处理，处理温度为1000℃，处理时间为10小时。
本实验方法制备的点阵金属材料不具备近零膨胀特性，热膨胀系数为4.7×10-6K-1，在两种金属界面可以看到明显的裂纹，表明两种界面未发生完成的冶金结合，同时压缩力学性能也较差。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于增材制造的近零膨胀点阵金属，其特征在于：所述点阵金属具有三维双金属点阵结构，该点阵金属由双金属点阵胞元拓展而成，双金属点阵胞元为六面体内嵌桁架结构的三维结构，具有向空间三方向拓展的能力；六面体和桁架结构连接位置设置过渡区域，过渡区域的轮廓不大于胞元的孔棱直径；六面体为一种金属，桁架结构为另一种金属，过渡区域为两种金属的混合体，两种金属的线膨胀系数之比不低于5，两种金属无间隙的界面冶金结合；采用激光同轴送粉增材制造工艺制备所述点阵金属；
所述点阵金属具有宽温域近零膨胀特性，所述宽温域为-100℃~1000℃的温度区间，所述近零膨胀特性为在上述宽温域内热膨胀系数绝对值不高于0.5×10-6K-1；所述点阵金属具有各向同性热力学性能，表现为空间三方向具有相同的近零膨胀特征。
2.根据权利要求1所述基于增材制造的近零膨胀点阵金属，其特征在于：六面体采用因瓦合金制备，桁架结构采用镍钛合金制备。
3.根据权利要求1所述基于增材制造的近零膨胀点阵金属，其特征在于：所述点阵金属的孔隙率为58%~92%，孔棱直径为1~3mm。
4.一种权利要求1-3任一项所述点阵金属的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤一、采用三维设计软件对近零膨胀点阵金属进行孔型结构的工艺适应性设计，建立双金属点阵结构的三维模型；
步骤二、采用切片软件对步骤一中建立的近零膨胀点阵金属三维模型进行切片化处理，并在同幅面内不同区域设置不同的工艺参数，其中，六面体结构切片区域为第一种工艺参数，送粉材料为因瓦合金粉体；桁架结构切片区域为第二种工艺参数，送粉材料为镍钛合金粉体；六面体和桁架结构连接位置的过渡区域为第三种工艺参数，送粉材料为因瓦合金和镍钛合金的混合粉体；
步骤三、采用激光同轴送粉增材制造工艺在惰性气氛下进行三料筒控制打印：
六面体结构切片区域的工艺参数为：激光功率1000~2500W、扫描速度200~1400mm/min、送粉气流5~25L/min、搭接率50%~70%；
桁架结构切片区域的工艺参数为：激光功率800~2000W、扫描速度150~1000mm/min、送粉气流5~25L/min、搭接率50%~70%；
过渡区域的工艺参数为：激光功率1000~2500W、扫描速度50~600mm/min、送粉气流5~15L/min、搭接率70%~90%；
三种区域单层层厚0.5~0.7mm，光斑直径0.8~3mm；
步骤四、对步骤三所获得的近零膨胀点阵金属进行固溶处理，处理温度为1000℃，处理时间为1~10小时。
5.按照权利要求4所述点阵金属的制备方法，其特征在于：步骤二中，所述因瓦合金粉体和镍钛合金粉体的平均粒径为20~53μm；所述混合粉体中，因瓦合金和镍钛合金的体积比为1:1~3:1。
6.按照权利要求4所述点阵金属的制备方法，其特征在于：步骤三中，采用多路粉末设计与控制软件，完成三种粉体的加料控制及料筒自动切换，实现粉路的联动选取控制，制备出近零膨胀点阵金属。
7.一种采用权利要求4所述方法制备的近零膨胀点阵金属的应用，其特征在于：所述点阵金属用于制备航空航天领域极端环境服役条件下的热稳定结构部件。
8.根据权利要求7所述点阵金属的应用，其特征在于：所述热稳定结构部件为导航卫星、探测卫星航空航天装备的相机支架。
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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115351298B (zh) * 2022-10-21 2023-01-03 沈阳铸造研究所有限公司 一种基于增材制造的近零膨胀点阵金属及制备方法与应用
CN116021036B (zh) * 2023-03-24 2023-06-06 中国机械总院集团沈阳铸造研究所有限公司 一种基于4d打印的智能温控点阵结构及其应用
CN117773157B (zh) * 2024-02-28 2024-05-03 中国机械总院集团沈阳铸造研究所有限公司 一种4d打印双向智能温控点阵结构及其制备方法

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2014160389A1 (en) * 2013-03-13 2014-10-02 Milwaukee School Of Engineering Lattice structures
CN105772723B (zh) * 2016-04-18 2020-05-15 西安智熔金属打印系统有限公司 一种梯度材料结构的快速成形系统及方法
CN106599420B (zh) * 2016-12-02 2019-10-18 北京空间飞行器总体设计部 一种用于航天器的零膨胀点阵圆柱壳结构及其设计方法
DE102017200299A1 (de) * 2017-01-10 2018-07-12 Airbus Operations Gmbh Strukturbauteil, Verfahren zur Herstellung eines Strukturbauteils sowie Verfahren zur Gestaltung eines Strukturbauteils
CA3097190A1 (en) * 2017-06-14 2018-12-20 The Royal Institution For The Advancement Of Learning/Mcgill University Lattice metamaterial having programed thermal expansion
CN107643552B (zh) * 2017-09-30 2018-10-02 中国人民解放军国防科技大学 具有零/低热膨胀性质的单相点阵结构及其材料
EP3718159A4 (en) * 2017-12-01 2021-12-22 California Institute of Technology MANUFACTURING AND DESIGN OF STRUCTURED LAYER COMPOSITES
JP7257221B2 (ja) * 2019-03-29 2023-04-13 三菱重工業株式会社 非熱膨張部材の製造方法
CN110125406A (zh) * 2019-05-16 2019-08-16 浙江华科三维科技有限公司 一种低膨胀系数三维空间点阵结构及其成形方法
CN112008081B (zh) * 2020-10-21 2021-02-19 沈阳铸造研究所有限公司 一种基于激光增材制造高熔点Kelvin结构点阵金属的制备方法
CN112407334B (zh) * 2020-11-12 2022-05-24 北京理工大学 一种近零膨胀点阵结构
CN114564822A (zh) * 2022-01-26 2022-05-31 南京航空航天大学 一种仿生马鞍形单元及其衍生构成的点阵结构
CN115351298B (zh) * 2022-10-21 2023-01-03 沈阳铸造研究所有限公司 一种基于增材制造的近零膨胀点阵金属及制备方法与应用

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