摘要：爱尔兰东南理工大学、都柏林大学、巴西坎皮纳斯州立大学的科研人员报道了激光粉末床熔融Ti6Al4V点阵结构的设计、缺陷分析、抗压强度及表面形貌表征研究进展。相关论文以“Design, defect analysis, compressive strength a

长三角G60激光联盟导读

爱尔兰东南理工大学、都柏林大学、巴西坎皮纳斯州立大学的科研人员报道了激光粉末床熔融Ti6Al4V点阵结构的设计、缺陷分析、抗压强度及表面形貌表征研究进展。相关论文以“Design, defect analysis, compressive strength and surface texture characterization of Laser Powder Bed Fusion processed Ti6Al4V lattice structures”为题发表在《Journal of Materials Research and Technology》上。

钛合金多孔蜂窝结构因其更高的柔性、轻量化、强度重量比以及促进骨整合的特性，在航空航天、汽车和生物医学领域日益受到青睐。点阵结构的复杂几何形状对传统制造工艺构成极大挑战。激光粉末床熔融（LPBF）技术为无设计约束地制备复杂点阵结构提供了绝佳解决方案。本研究旨在设计并LPBF打印BCC（体心立方）、金刚石、Gyroid（螺旋二十四面体）和Voronoi（泰森多边形）点阵结构，探究不同设计对工艺固有缺陷/孔隙的形成及其表观密度、抗压强度和表面粗糙度的影响规律。通过Alicona光学轮廓仪、光学显微镜、扫描电镜（SEM）和X射线计算机断层扫描（XCT）分析表面粗糙度与缺陷孔隙；采用比重瓶法和压缩试验测定表观密度与极限抗压强度。

结果表明：多类型点阵结构与孔隙率、表观密度、极限抗压强度及表面粗糙度存在交织关联。BCC结构孔隙数量最多（3764个），Gyroid最少（485个）；Voronoi表观密度最高（99.99%），BCC最低（98.75%）。金刚石结构因材料体积占比最高获得430.6 MPa的极限抗压强度，Voronoi结构仅190.60 MPa。Voronoi的任意复杂设计和LPBF逐层成型导致最差表面粗糙度（Sa=0.59 μm），而BCC均匀的表面分布和无阶梯效应使其表面质量最优（Sa=0.17μm）。

关键词：激光粉末床熔融；Ti6Al4V合金；点阵结构设计；缺陷分析；表观密度与抗压强度；表面粗糙度

图1.(a)STL设计示意图；(b)激光粉末床熔融(LPBF)成型的Gyroid螺旋二十四面体、金刚石、BCC体心立方和Voronoi泰森多边形点阵结构实物图（从左至右）

图2.(a)粉末粒径分布与累积频率曲线；(b)500倍扫描电镜(SEM)下的粉末形貌；(c)5000倍高倍显微照片展示粉末球形度及卫星颗粒

图3.(a)激光粉末床熔融系统示意图；(b)打印结构设计图；(c)LPBF制备的点阵结构实物照片

图4.截面图像背景消除技术示意图

图5.(a)粉色BCC设计模型与灰色XCT扫描模型在XZ截面的重叠对比；(b)同(a)的高倍放大细节；(c)标称表面偏差矢量方向指示；(d)同(c)的高倍放大细节

图6.(a)粉色金刚石设计模型与灰色XCT扫描模型在XZ截面的重叠对比；(b)同(a)的高倍放大细节；(c)标称表面偏差矢量方向指示；(d)同(c)的高倍放大细节

图7.(a)粉色Gyroid设计模型与灰色XCT扫描模型在XZ截面的重叠对比；(b)同(a)的高倍放大细节；(c)标称表面偏差矢量方向指示；(d)同(c)的高倍放大细节

图8.(a)粉色Voronoi设计模型与灰色XCT扫描模型在XZ截面的重叠对比；(b)同(a)的高倍放大细节；(c)标称表面偏差矢量方向指示；(d)同(c)的高倍放大细节

图9.BCC、金刚石、Gyroid和Voronoi点阵结构的XCT孔隙分布示意图

图10.BCC、金刚石、Gyroid和Voronoi点阵结构的压缩断裂模式示意图

图11.不同放大倍数下点阵结构的SEM显微照片：(a1,b1,c1,d1)50倍；(a2,b2,c2,d2)100倍；(a3,b3,c3,d3)200倍（依次对应BCC、金刚石、Gyroid和Voronoi结构）

通过研究四种点阵结构的LPBF成型工艺缺陷（包括孔隙和颗粒特征），结合XCT标称偏差分析与孔隙量化，系统阐明了这些缺陷对最终性能的影响机制。主要发现如下：

1.所有结构的相对密度均约55%（如BCC 55.00%，Voronoi 55.50%），经nTopology建模验证，表明其适用于航空航天、汽车和医疗植入等需轻量化与强度平衡的领域

2.金刚石结构的偏差分布呈双峰特征，表明其对工艺波动和热梯度最敏感，这源于其精细特征或薄支柱导致的更广泛偏差分布

3.Voronoi结构的偏差分布呈单窄峰且总体偏差较小，归因于其光滑有机拓扑形态最小化了易产生加工误差的尖锐过渡和高宽比特征

4.BCC结构孔隙数量最多（3764个），Gyroid最少（485个）

5.孔隙类型包括匙孔孔隙、未熔合孔、惰性气体气泡孔隙及未熔化/部分熔化粉末所致孔隙

6.金刚石结构最大孔隙尺寸0.47 mm，平均孔径0.11 mm

7.截面成像分析、比重瓶法与XCT检测均显示一致的高表观密度趋势，其中XCT数值最高

8.金刚石和Gyroid结构因缺陷少、颗粒特征少和零件收缩小，表现出卓越的载荷分布和应力集中抵抗能力，抗压强度分别达430.6 MPa和395.67 MPa

9.XCT孔隙率与压缩试验证实：材料体积与极限抗压强度呈正相关

10.BCC和Voronoi结构的低强度源于剪切破坏、随机方向爆裂坍塌及缺陷导致的应力集中

11.BCC最佳表面粗糙度（Sa=0.17 μm）得益于无阶梯效应和均匀的表面形貌分布

12.金刚石和Gyroid结构的阶梯效应导致较差表面质量，Voronoi最差表面（Sa=0.59 μm）源于复杂设计产生随机纹理特征

13.总体而言，三周期极小曲面（TPMS）设计的Gyroid结构在孔隙分布、表观密度、抗压强度和表面粗糙度方面明显优于BCC和Voronoi点阵结构

论文链接：

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长三角G60激光联盟陈长军转载

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来源：江苏激光联盟