南航顾冬冬顶刊丨激光粉末床熔融节点强化混合晶格结构的力学性能与尺寸效应
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近日，南京航空航天大学江苏省高性能金属构件激光增材制造工程实验室顾冬冬教授团队在国际顶刊《Virtual and Physical Prototyping》上发表了最新研究成果 “Dimensional effect and mechanical performance of node-strengthened hybrid lattice structure fabricated by laser powder bed fusion”，受固溶强化机制的启发，采用激光粉末床熔融（LPBF）设计并制造了具有较低相对密度的节点强化混合结构，即边缘中心填隙晶格（ECIL）结构和顶点节点替代晶格（VNSL）结构。
图1. (a)受固溶强化机制启发的混合晶格结构；(b–d) 边缘中心填隙晶格及其单胞；(e–g) 顶点节点替代晶格及其单个单元
图2. (a) Al–Mg–Sc–Zr粉末的SEM (b) 粉末的粒度分布 (c) LPBF扫描策略示意图 (d) LPBF工艺和所制造的混合晶格结构
图3. (a) 带网格划分的数值有限元仿真模型；（b）Al-Mg-Sc-Zr合金的单轴拉伸应力-应变曲线和FCCZ结构的单轴压缩应力-应变曲线（能量吸收区域用蓝色标记）；(c) 应力-应变曲线、能量吸收效率曲线和致密化应变示意图
图5. (a) VNSL-1单细胞的BSE图像；(b) (a)中垂直支柱的局部放大图；(c) (b)的放大图；(d-e)(a)中45°支柱的部分放大图像；(f) (a) 中 45° 支柱的放大图像
图7. (a) FCCZ和ECIL晶格结构的能量吸收性能 (b) VNSL晶格结构 (c) 比能量吸收Ws与其他杂化晶格结构的相对密度总结
在该研究中，受固溶强化机制启发，采用LPBF设计和加工Al-Mg-Sc-Zr混合晶格结构。系统地表征了几何特征相关的缺陷以及微观结构敏感性，并建立了相应的微观结构-机械性能。研究了球体尺寸对不同构型的力学性能和能量吸收性能的影响。主要结论总结如下：
提出了球体直径与支柱厚度（Sph-Strut）之比来确定混合晶格结构的加固效率。对于这两种配置，球体直径为1.5mm的混合结构具有最高的加固效率。研究还表明，变形模式转换的临界Sph-Strut比恰好为3。这种增强方法可能适用于其他尺度下具有不同单元类型的其他混合结构。
