CN115870516A - 一种基于增材制造的三维点阵超结构及其应用 - Google Patents

一种基于增材制造的三维点阵超结构及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于增材制造的三维点阵超结构及其应用，属于点阵金属的增材制造技术领域。该三维点阵超结构是由内凹型单胞横向拓展为二维平面后纵向叠层拓展而成，采用具有小截面非连续扫描特征的选区激光熔化增材制造工艺结合逐层多次扫描、变换扫描策略的工艺方法，实现了以TRIP钢为基体的三维点阵超结构的有效制备。本发明制备的三维点阵超结构在具备负泊松比特性的同时具有优异的力学性能，在承载过程中具有光滑的应力应变曲线和明显的塑形屈服平台。本发明聚焦航空航天等高端装备对缓冲吸能设备的迫切需求，实现了三维点阵超结构的创新设计，为点阵金属在航空航天缓冲吸能设备的有效应用奠定了坚实的基础。

Description

一种基于增材制造的三维点阵超结构及其应用
技术领域
本发明属于点阵金属的增材制造技术领域，具体涉及一种具有负泊松比特性的三维点阵超结构及其应用。
背景技术
超结构通常具有与大自然现存材料不同的性能特征，通过与传统材料相反的设计思想，人们通过将材料结构进行多种设计和形式变化，使结构获得超常的物理性质，其中负泊松比材料由于其独特的物理特性，已成为当今力学超结构研究的热点。与传统结构材料不同，负泊松比超结构在拉伸时膨胀或压缩时收缩，拥有特殊的力学性能和物理性能，具有更优越的冲击性能与吸能特性，这种独特的特性使其在多个工程领域受到广泛关注。
自然界中本身具有负泊松比特性的材料是鲜有的，少量物质能够展现出负泊松比效应，如黄铁矿、天然硅酸盐α-方英石等。然而，自然负泊松比材料由于其产量低、尺寸小、杂质多等固有缺陷，难以满足工程实际的应用。经过几十年的发展，目前二维负泊松比结构研究较多，应用较广，研究主要集中在内凹六边形、箭头型、星型、手型结构拓展而成的二维蜂窝型负泊松比结构，然而由于二维结构的局限性难以满足材料多维度的应用需求，随着工程应用的不断发展，三维负泊松比结构近年来受到了更广泛的关注。
点阵结构由于其高自由度的结构设计性为人熟知，与传统金属材料相比，点阵金属在轻量化、强度和功能性等方面具有巨大优势，作为轻量化材料受到人们广泛关注，点阵结构的孔型结构设计为实现结构三维负泊松比特性提供了重要思路，但目前复杂超结构如三维负泊松比结构的研究主要集中在理论分析和有限元模拟层面，制约其发展的一个关键因素是制造技术无法达到预估设计所需要的水准，传统制造技术无法快速精确制作出所设计的复杂超结构。近年来，增材制造技术的快速发展为负泊松比超结构的制造提供了可能，选区激光熔化增材制造（SLM）是当前金属材料成形常用的增材制造技术之一。然而，SLM增材制造金属材料还存在诸多难题尚未解决，如金属材料成形过程中容易产生球化现象，金属零件内部存在大量孔隙降低了成形件的力学性能，成形件内部存在残余应力易造成内部结构变形或翘曲等，上述问题在制备三维超结构时表现的尤为突出。
另一方面，目前在研的三维负泊松比点阵超结构在准静态压缩条件下普遍表现为负刚度特性，负泊松比三维结构在室温准静态压缩过程中表现出“驼峰”型应力应变曲线，该特性严重阻碍了三维点阵超结构的实际应用，通过设计三维点阵超结构的孔型结构参数，有效调控其泊松比和应力应变曲线特征，是三维点阵超结构实现工程化应用的重要研究方向。同时，TRIP（相变诱导塑形）钢由于其独特的强韧化机制，在航空航天、汽车行业等领域具有广泛的应用前景，以TRIP钢为基体制备点阵超结构将具有更优的缓冲吸能特性，但TRIP钢基体中碳含量较高，其在增材制造过程中液相相对固相的润湿性极差、易产生裂纹，上述缺陷在点阵超结构增材制造过程中表现的更为明显。
发明内容
针对现有负泊松比点阵超结构增材制造技术的不足及航空航天产业对高性能三维负泊松比点阵超结构的迫切需求。本发明提供了一种基于增材制造的三维点阵超结构及其制备应用。
本发明的目的之一是设计一种具有负泊松比特性且力学性能优异的三维点阵超结构，通过将内凹点阵单胞横向拓展后纵向叠层拓展设计了具备负泊松比特性的点阵超结构，所述的叠层是指点阵超结构纵向单胞并不是单纯的重复排列拓展，而是纵向单胞间存在额外的夹层，通过调控点阵超结构的单胞高度h1、单胞间距h2、单胞边界孔隙距离h3、纵剖面上点阵单胞内凹角θ1、点阵单胞中心十字型连杆外凸角θ2等参数，实现三维点阵超结构负泊松比特性和准静态压缩力学性能的有效调控。
本发明的另一目的是通过采取具有小截面非连续扫描特性的选区激光熔化增材制造工艺，结合逐层多次扫描、变换扫描策略的参数设置，制备出以TRIP钢为基体的三维点阵超结构，准静态压缩时具有完整的塑形屈服平台和光滑应力应变曲线。
本发明技术方案如下：
一种基于增材制造的三维点阵超结构，所述三维点阵超结构由内凹型点阵单胞拓展而成，采用具有小截面非连续扫描特性的选区激光熔化增材制造工艺制备三维点阵超结构，具体制备步骤如下：
步骤一、采用三维设计软件对三维点阵超结构进行孔型结构工艺适应性设计，对三维点阵超结构连接节点处进行圆角化处理，对结构进行进一步光顺化处理后获得三维点阵超结构三维模型；所述的光顺化处理参数为：光顺化半径0.1mm~0.4mm，光顺化1~2次；
所述三维点阵超结构点阵单胞纵剖面为“中”字型内凹六边形，横截面为“田”字型内侧外凸四边形，点阵单胞横向拓展为二维平面结构后纵向叠层拓展成三维内凹点阵结构，三维内凹点阵结构高度方向单胞间由短柱相连；
步骤二、采用切片软件对步骤一中建立的三维点阵超结构三维模型进行切片化处理，采用逐层多次扫描、变换扫描策略的方法通过选区激光熔化增材制造工艺制备点阵超结构；
每层首次扫描功率为50~100W，扫描速度为300~600mm/s，扫描间隔为30~75μm，体能量密度为222.2~370J/mm3；二次扫描过程扫描功率为对应第一次扫描功率的20~50%，二次扫描速度为对应第一次扫描速度的1.2~2倍，二次扫描过程体能量密度为对应第一次体能量密度的10~41.7%，二次扫描角度变换45°~90°，其他参数保持不变；
步骤三、对步骤二所获得的点阵金属进行热处理。
作为优选的技术方案：
步骤一中，所述点阵超结构的单胞为多面体结构，孔棱直径为0.5~2mm，纵剖面上点阵单胞内凹角θ1范围为70°~80°，点阵单胞中心十字型连杆外凸角θ2范围为100°~110°，点阵超结构的单胞高度h1为3~5mm，单胞间距h2为1~5mm，h1与h2的比值为1:1~4:1，单胞边界孔隙距离 h3为0.7~4.2mm。
步骤一中，所述三维点阵超结构的孔隙率范围为43%~92%。
步骤二中，所用的原材料为TRIP钢金属粉末，该粉末粒径为15~53μm。
步骤三中，所述热处理为固溶处理，温度为800~1100℃，时间为1~15小时。
通过统筹调控步骤一中三维点阵超结构设计参数、步骤二中的增材制造工艺参数以及步骤三中的热处理工艺参数，可实现点阵超结构力学性能及负泊松比特性调控。通过以上工艺制备的点阵超结构表现出负泊松比特性，泊松比大小为-0.5~0；同时使其具备实现优异准静态压缩力学性能的潜力，在室温准静态压缩过程中具有光滑应力应变曲线，并且具有完整的塑形屈服平台。
本发明所述三维点阵超结构可用于制备航空航天飞行器缓冲吸能设备，所述航空航天飞行器缓冲吸能设备为导航卫星、探测卫星或月球探测车的起落架。
本发明的有益效果为：
1.负泊松比特性。本发明设计了内凹型点阵单胞，并拓展成叠层式三维点阵超结构，通过调控孔棱直径、内凹角θ1、外凸角θ2、单胞高度h1、单胞间距h2、h1与h2比值、单胞边界孔隙距离h3等参数在调控点阵超结构孔隙率的同时，有效实现了结构负泊松比特性的调控。
2.力学性能优异。本发明设计了具有叠层结构的负泊松比点阵超结构，并通过增材制造工艺参数调控实现了负泊松比点阵超结构的制备，结合对点阵超结构节点光顺化处理及圆角化处理，获得的点阵超结构在具备负泊松比特性的同时具备优异的力学性能，点阵超结构在室温下准静态压缩过程中结构具有光滑的应力应变曲线和完整的塑形屈服平台，具有良好的工程价值。
3.本发明采用逐层多次扫描、变换扫描策略的方法，通过选区激光熔化增材制造工艺制备点阵超结构，可避免出现由于点阵超结构切片表现出小截面非连续的特征导致点阵超结构孔径内部区域易出现过热导致气孔、裂纹等缺陷，同时可防止由于点阵超结构孔径表面能量过低而导致未融合缺陷的产生。
附图说明
图1为三维点阵超结构单胞形貌图。
图2为三维点阵超结构单胞尺寸图，其中（a）单胞主视图，（b）单胞中心截面图。
图3为三维点阵超结构形貌图。
图4为三维点阵超结构准静态压缩性能曲线示意图。
具体实施方式
下面结合实施例和说明书附图对本发明做进一步说明，但不限于此。
实施例1
本实施例是设计与制备孔隙率为43%的三维点阵超结构。具体制备步骤如下：
步骤一、采用三维设计软件对三维点阵超结构进行孔型结构工艺适应性设计，点阵超结构单胞形貌及尺寸如图1、2所示，对负泊松比点阵超结构连接节点处进行圆角化处理，对结构进行进一步光顺化处理后获得负泊松比点阵超结构三维模型，光顺化半径为0.1mm，光顺化次数为1次，三维负泊松比点阵超结构整体形貌如图3所示。
该点阵超结构点阵单胞纵剖面为“中”字型内凹六边形，横截面为“田”字型内侧外凸四边形，点阵单胞横向拓展为二维平面结构后纵向叠层拓展成三维内凹点阵结构，三维内凹点阵结构单胞高度h1大小为3mm，单胞间距h2大小为1.5mm，h1与h2长度比值为2:1，单胞边界孔隙距离h3大小为1.2mm，内凹角θ1为70°，点阵单胞中心十字型连杆外凸角θ2为110°，孔棱直径为1mm。
步骤二、采用切片软件对步骤一中建立的三维点阵超结构三维模型进行切片化处理，采用逐层多次扫描、变换扫描策略的方法通过选区激光熔化增材制造工艺制备点阵超结构。
单层首次扫描功率为90W，扫描速度为400mm/s，扫描间隔为30μm，体能量密度为250J/mm3，二次扫描过程扫描功率为对应第一次扫描功率的50%，二次扫描速度为对应第一次扫描速度的1.2倍，二次扫描过程体能量密度为第一次的41.7%，二次扫描角度变换45°，其他参数保持不变。即二次扫描功率为45W，二次扫描速度为480mm/s，二次扫描体能量密度104.2J/mm3，其他工艺参数保持不变。使用的原材料粉体为粒径15~53μm的TRIP钢金属粉末。
步骤三、对步骤二所获得的点阵金属进行固溶处理，温度为1000℃，时间为10小时。
制备获得的点阵超结构未出现气孔、裂纹、未融合等缺陷，在室温准静态压缩过程中具有光滑应力应变曲线，压缩应力应变曲线示意图如图4所示，压缩过程具有完整的塑形屈服平台，点阵超结构具有负泊松比特性，泊松比大小为-0.42。
对比例1
本实验是实施例1的对比例，相比较实施例1本对比例在设计点阵超结构过程中未对点阵超结构进行圆角化及光顺化处理，其他实验参数与实施例1完全一致。制备获得的点阵超结构在室温准静态压缩过程中经过弹性阶段后结构发生明显的软化屈服，应力应变曲线为典型的“驼峰”型曲线，压缩过程没有塑形屈服平台的出现，结构整体韧性较差，无法满足实际应用需求。
对比例2
本实验是实施例1的对比例，相比较实施例1本对比例在增材制造过程中并未采用逐层多次扫描、变换扫描策略增材制造工艺，其他实验参数与实施例1完全一致。步骤二具体过程如下：
步骤二、采用切片软件对步骤一中建立的三维点阵超结构三维模型进行切片化处理，采用选区激光熔化增材制造工艺制备点阵超结构。扫描功率为90W，扫描速度为400mm/s，扫描间隔为30μm，体能量密度为250J/mm3。使用的原材料粉体为粒径15~53μm的TRIP钢金属粉末。
通过以上工艺制备的三维点阵超结构成型结果较差，点阵超结构表面有明显的孔洞，室温环境准静态压缩性能测试结果较差，强度和塑形相比较实施例1明显降低。
对比例3
本实验是实施例1的对比例，相比较实施例1本对比例在三维点阵超结构设计上点阵单胞内凹角θ1增大至85°，点阵单胞中心十字型连杆外凸角θ2缩小至95°，其他实验参数与实施例1完全一致。制备获得的点阵超结构不具备负泊松比特性，点阵超结构泊松比为0.26。
对比例4
本实验是实施例1的对比例，相比较实施例1本对比例在三维点阵超结构设计上三维内凹点阵结构单胞高度h1增大至7.5mm，单胞间距h2为1.5mm，h1与h2比值为5:1，单胞边界孔隙距离h3为1.2mm，其他实验参数与实施例1完全一致。制备获得的点阵超结构在室温准静态压缩过程中点阵超结构单胞纵向连杆发生明显屈曲，经过弹性阶段后结构发生明显的软化屈服，应力应变曲线为典型的“驼峰”型曲线，压缩过程没有塑形屈服平台的出现，结构整体韧性较差，无法满足实际应用需求。
实施例2
本实施例是设计与制备孔隙率为60%的三维点阵超结构，具体制备步骤如下：
步骤一、采用三维设计软件对三维点阵超结构进行孔型结构工艺适应性设计，对负泊松比点阵超结构连接节点处进行圆角化处理，对结构进行进一步光顺化处理后获得负泊松比点阵超结构三维模型，光顺化半径为0.25mm，光顺化次数为2次。
该点阵超结构点阵单胞纵剖面为“中”字型内凹六边形，横截面为“田”字型内侧外凸四边形，点阵单胞横向拓展为二维平面结构后纵向叠层拓展成三维内凹点阵结构，三维内凹点阵结构单胞高度h1为4mm，单胞间距h2为1mm，h1与h2比值为4:1，单胞边界孔隙距离h3为0.7mm，内凹角θ1为75°，点阵单胞中心十字型连杆外凸角θ2为105°，孔棱直径为0.5mm。
步骤二、采用切片软件对步骤一中建立的三维点阵超结构三维模型进行切片化处理，采用逐层多次扫描、变换扫描策略的方法通过选区激光熔化增材制造工艺制备点阵超结构。
单层首次扫描功率为100W，扫描速度为600mm/s，扫描间隔为45μm，体能量密度为370J/mm3，二次扫描过程扫描功率为对应第一次扫描功率的20%，二次扫描速度为对应第一次扫描速度的2倍，二次扫描过程体能量密度为第一次的10%，二次扫描角度变换75°，其他参数保持不变。即二次扫描功率为20W，二次扫描速度为1200mm/s，二次扫描体能量密度37J/mm3，其他工艺参数保持不变。使用的原材料粉体为粒径15~53μm的TRIP钢金属粉末。
步骤三、对步骤二所获得的点阵金属进行固溶处理，温度为1100℃，时间为1小时。
制备获得的点阵超结构未出现气孔、裂纹、未融合等缺陷，在室温准静态压缩过程中具有光滑应力应变曲线，压缩过程具有完整的塑形屈服平台，点阵超结构具有负泊松比特性，泊松比大小为-0.5。
实施例3
本实施例是设计与制备孔隙率为92%的三维点阵超结构，具体制备步骤如下：
步骤一、采用三维设计软件对三维点阵超结构进行孔型结构工艺适应性设计，对负泊松比点阵超结构连接节点处进行圆角化处理，对结构进行进一步光顺化处理后获得负泊松比点阵超结构三维模型，光顺化半径为0.4mm，光顺化次数为2次。
该点阵超结构点阵单胞纵剖面为“中”字型内凹六边形，横截面为“田”字型内侧外凸四边形，点阵单胞横向拓展为二维平面结构后纵向叠层拓展成三维内凹点阵结构，三维内凹点阵结构单胞高度h1大小为5mm，单胞间距h2大小为5mm，h1与h2长度比值为1:1，单胞边界孔隙距离h3大小为4.2mm，内凹角θ1为80°，点阵单胞中心十字型连杆外凸角θ2为100°，孔棱直径为2mm。
步骤二、采用切片软件对步骤一中建立的三维点阵超结构三维模型进行切片化处理，采用逐层多次扫描、变换扫描策略的方法通过选区激光熔化增材制造工艺制备点阵超结构。
单层首次扫描功率为50W，扫描速度为300mm/s，扫描间隔为75μm，体能量密度为222.2 J/mm3，二次扫描过程扫描功率为对应第一次扫描功率40%，二次扫描速度为对应第一次扫描速度的1.5倍，二次扫描过程体能量密度为第一次的26.7%，二次扫描角度变换90°，其他参数保持不变。即二次扫描功率为20W，二次扫描速度为450mm/s，二次扫描体能量密度59.3J/mm3，其他工艺参数保持不变。使用的原材料粉体为粒径15~53μm的TRIP钢金属粉末。
步骤三、对步骤二所获得的点阵金属进行固溶处理，温度为800℃，时间为15小时。
制备获得的点阵超结构未出现气孔、裂纹、未融合等缺陷，在室温准静态压缩过程中具有光滑应力应变曲线，压缩过程具有完整的塑形屈服平台，点阵超结构具有负泊松比特性，泊松比大小为0。
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。
此外，本文省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

Claims (9)

1.一种基于增材制造的三维点阵超结构，其特征在于：所述三维点阵超结构由内凹型点阵单胞拓展而成，采用具有小截面非连续扫描特性的选区激光熔化增材制造工艺制备三维点阵超结构，具体制备步骤如下：
步骤一、采用三维设计软件对三维点阵超结构进行孔型结构工艺适应性设计，对三维点阵超结构连接节点处进行圆角化处理，对结构进行进一步光顺化处理后获得三维点阵超结构三维模型；所述的光顺化处理参数为：光顺化半径0.1mm~0.4mm，光顺化1~2次；
所述三维点阵超结构点阵单胞纵剖面为“中”字型内凹六边形，横截面为“田”字型内侧外凸四边形，点阵单胞横向拓展为二维平面结构后纵向叠层拓展成三维内凹点阵结构，三维内凹点阵结构高度方向单胞间由短柱相连；
步骤二、采用切片软件对步骤一中建立的三维点阵超结构三维模型进行切片化处理，采用逐层多次扫描、变换扫描策略的方法通过选区激光熔化增材制造工艺制备点阵超结构；
每层首次扫描功率为50~100W，扫描速度为300~600mm/s，扫描间隔为30~75μm，体能量密度为222.2~370J/mm3；二次扫描过程扫描功率为对应第一次扫描功率的20~50%，二次扫描速度为对应第一次扫描速度的1.2~2倍，二次扫描过程体能量密度为对应第一次体能量密度的10~41.7%，二次扫描角度变换45°~90°，其他参数保持不变；
步骤三、对步骤二所获得的点阵金属进行热处理。
2.按照权利要求1所述基于增材制造的三维点阵超结构，其特征在于：步骤一中，所述三维点阵超结构的单胞为多面体结构，孔棱直径为0.5~2mm，纵剖面上点阵单胞内凹角θ1范围为70°~80°，点阵单胞中心十字型连杆外凸角θ2范围为100°~110°，点阵超结构的单胞高度h1为3~5mm，单胞间距h2为1~5mm，h1与h2的比值为1:1~4:1，单胞边界孔隙距离h3为0.7~4.2mm。
3.按照权利要求1所述基于增材制造的三维点阵超结构，其特征在于：步骤一中，所述三维点阵超结构的孔隙率范围为43%~92%。
4.按照权利要求1所述基于增材制造的三维点阵超结构，其特征在于：步骤二中，所用的原材料为TRIP钢金属粉末，该粉末粒径为15~53μm。
5.按照权利要求1所述基于增材制造的三维点阵超结构，其特征在于：步骤三中，所述热处理为固溶处理，温度为800~1100℃，时间为1~15小时。
6.按照权利要求1所述基于增材制造的三维点阵超结构，其特征在于：所述三维点阵超结构具有负泊松比特性，泊松比大小为-0.5~0。
7.按照权利要求1所述基于增材制造的三维点阵超结构，其特征在于：所述三维点阵超结构室温准静态压缩过程中具有光滑应力应变曲线，并且具有完整的塑形屈服平台。
8.一种权利要求1所述基于增材制造的三维点阵超结构的应用，其特征在于：所述三维点阵超结构用于制备航空航天飞行器缓冲吸能设备。
9.按照权利要求8所述基于增材制造的三维点阵超结构的应用，其特征在于：所述航空航天飞行器缓冲吸能设备为导航卫星、探测卫星或月球探测车的起落架。
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