中國科學院沈陽金屬所：拓撲優(yōu)化設(shè)計及選區(qū)激光熔化成形

供稿人:高云鵬、魯中良
供稿單位：機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室

中國科學院沈陽金屬所的研究團隊通過選區(qū)激光熔化（selective laser melting，SLM）成形技術(shù)制造了具有拓撲優(yōu)化結(jié)構(gòu)的多孔CP-Ti（純鈦），其具有極為優(yōu)異的疲勞性能，在106次循環(huán)時具有約0.65的歸一化疲勞壽命。

他們認為，SLM成形的多孔CP-Ti具有優(yōu)異疲勞性能的原因主要有三個：
首先，經(jīng)過拓撲優(yōu)化設(shè)計的多孔CP-Ti結(jié)構(gòu)能夠能夠使應力均勻分布，降低應力集中。他們將具有拓撲優(yōu)化結(jié)構(gòu)的多孔CP-Ti與菱形十二面體結(jié)構(gòu)進行了比較，如圖1。在1%的應變下，拓撲優(yōu)化結(jié)構(gòu)的最大拉伸應力約是菱形十二面體結(jié)構(gòu)的1/2，并沿水平撐桿分布，應力集中相對降低；

圖1 1％應變下拓撲優(yōu)化結(jié)構(gòu)與菱形十二面體結(jié)構(gòu)中的應力分布

其次，經(jīng)過疲勞試驗后，具有拓撲優(yōu)化結(jié)構(gòu)的多孔CP-Ti中出現(xiàn)了孿晶和位錯（圖1(b)和(c)）。孿晶的產(chǎn)生使多孔CP-Ti表現(xiàn)出更高的應變硬化及塑性。應變硬化降低了每個循環(huán)周期的塑性應變增量，較高的塑性則能夠使多孔CP-Ti積累更多的塑性應變，推遲疲勞裂紋的萌生；

圖2具有拓撲優(yōu)化結(jié)構(gòu)的多孔CP-Ti的TEM圖像。（a）TEM明場圖像；（b）孿晶薄片的明場圖像；（c）相應孿晶區(qū)域的電子衍射圖；（d）孿晶界面的原子尺度圖像

最后，拓撲優(yōu)化設(shè)計的多孔CP-Ti樣品中的疲勞裂紋擴展路徑是以鋸齒形而非直線傳播（如圖3）。疲勞裂紋發(fā)生偏轉(zhuǎn)和分叉，降低了裂紋的傳播速度，導致疲勞裂紋擴展率低，從而延長了疲勞壽命。

參考文獻：
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.