中国科学院沈阳金属所:拓扑优化设计及选区激光熔化成形

3D打印快讯
2020
05/19
15:31
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供稿人:高云鹏、鲁中良
供稿单位:机械制造系统工程国家重点实验室

中国科学院沈阳金属所的研究团队通过选区激光熔化(selective laser melting,SLM)成形技术制造了具有拓扑优化结构的多孔CP-Ti(纯钛),其具有极为优异的疲劳性能,在106次循环时具有约0.65的归一化疲劳寿命。

他们认为,SLM成形的多孔CP-Ti具有优异疲劳性能的原因主要有三个:
首先,经过拓扑优化设计的多孔CP-Ti结构能够能够使应力均匀分布,降低应力集中。他们将具有拓扑优化结构的多孔CP-Ti与菱形十二面体结构进行了比较,如图1。在1%的应变下,拓扑优化结构的最大拉伸应力约是菱形十二面体结构的1/2,并沿水平撑杆分布,应力集中相对降低;

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图1 1%应变下拓扑优化结构与菱形十二面体结构中的应力分布
其次,经过疲劳试验后,具有拓扑优化结构的多孔CP-Ti中出现了孪晶和位错(图1(b)和(c))。孪晶的产生使多孔CP-Ti表现出更高的应变硬化及塑性。应变硬化降低了每个循环周期的塑性应变增量,较高的塑性则能够使多孔CP-Ti积累更多的塑性应变,推迟疲劳裂纹的萌生;

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图2具有拓扑优化结构的多孔CP-Ti的TEM图像。(a)TEM明场图像;(b)孪晶薄片的明场图像;(c)相应孪晶区域的电子衍射图;(d)孪晶界面的原子尺度图像
最后,拓扑优化设计的多孔CP-Ti样品中的疲劳裂纹扩展路径是以锯齿形而非直线传播(如图3)。疲劳裂纹发生偏转和分叉,降低了裂纹的传播速度,导致疲劳裂纹扩展率低,从而延长了疲劳寿命。
Jietu20200519-152937.jpg

参考文献:
Liu Y J, Ren D C, Li S J, et al. Enhanced fatigue characteristics of a topology-optimized porous titanium structure produced by selective laser melting[J]. Additive Manufacturing, 2020: 101060.

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