李慶棠 陳秀思 王方彬(北京航天新風(fēng)機械設(shè)備有限責任公司，北京 100854)

0 引言

TC4 鈦合金具有良好的綜合力學(xué)性能。尤其在高溫條件下能夠保持較好的強度和較低的熱導(dǎo)率以及耐腐蝕性能。TC4 鈦合金被廣泛應(yīng)用于航空航天、化工、船舶等領(lǐng)域[1]，用于制造耐高溫結(jié)構(gòu)件，如耐高溫承力結(jié)構(gòu)、高溫反應(yīng)器殼體、燃料儲存容器、高溫流體管路以及各類腐蝕性反應(yīng)容器和管路等。

近年來，隨著工程設(shè)計的不斷完善，具有輕量化特點的各類TC4 結(jié)構(gòu)設(shè)計方法被逐步采用，TC4 材料的高強輕質(zhì)特點和輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計相結(jié)合，能夠大幅提升工程結(jié)構(gòu)力學(xué)指標，進而降低成本，提升工程質(zhì)量，而激光選區(qū)熔化技術(shù)(Selective Laser Melting，SLM)作為增材制造技術(shù)中重要的一類制造方法，是實現(xiàn)這類復(fù)雜結(jié)構(gòu)的快速制造的主要途徑。

金屬三維點陣結(jié)構(gòu)是一種新型輕質(zhì)結(jié)構(gòu)，體現(xiàn)出高比強度、高比剛度的特點，具有良好的力學(xué)性能[2]，多用于化工、航空航天等領(lǐng)域的工程結(jié)構(gòu)設(shè)計。本文對典型點陣結(jié)構(gòu)進行了設(shè)計與力學(xué)分析，并用激光選區(qū)熔化方法成型實驗件，研究驗證了TC4 點陣結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，指導(dǎo)該類結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用。

1 實驗

1.1 模擬

在creo 中構(gòu)建金剛石和面心加斜筋點陣的單胞模型。其中，各單胞的構(gòu)型尺寸均為L1=L2=L3=10mm，根據(jù)單一變量原則，各胞元的相對密度設(shè)計為相同(單胞體積均約為146mm3)。本研究中使用的點陣壓縮試塊和點陣拉伸試片模型如圖1、2 所示。在點陣壓縮試塊/點陣拉伸試片的一端定義一個參考點，并對參考點應(yīng)用位移邊界條件。該參考點提取了蒙皮上的位移和結(jié)構(gòu)上的反作用力；另一端施加邊界條件，使該點陣結(jié)構(gòu)完全固定。采用十節(jié)點二次四面體(C3D10)單元劃分點陣結(jié)構(gòu)。在加載過程中的加載速率與實驗相同，設(shè)置為0.05mm/s，設(shè)置分析步400 步。

圖1 金剛石結(jié)構(gòu)(左)和面心加斜筋結(jié)構(gòu)(右)壓縮試塊

圖2 金剛石結(jié)構(gòu)(左)和面心加斜筋結(jié)構(gòu)(右)拉伸試片

1.2 實驗

采用華曙高科FS271M 激光3D 打印機設(shè)備打印上述兩種點陣結(jié)構(gòu)，所選用的材料為粒度范圍在15～53μm 的TC4 鈦合金，其化學(xué)成分見表1。成形過程中采用的打印工藝參數(shù)為：激光功率225W，掃描速度1000mm/s，層厚30μm，打印工作在氧氣含量低于0.1%(體積分數(shù))的氬氣氣氛中進行。用激光選區(qū)熔化技術(shù)在相同打印工藝參數(shù)下制備點陣試樣，每種點陣試樣制備三個。

表1 TC4的化學(xué)成分表

點陣拉伸試片的拉伸實驗參考國標：GB/T228.1—2010《金屬材料拉伸實驗方法》，實驗步驟為：將電子引伸計定位在拉伸標準試件上，并將標準試件夾持在萬能材料實驗機上。在實驗機的控制界面中設(shè)定初始實驗力為 50N，橫梁速度為3mm/min，結(jié)束條件為試件斷裂。

點陣壓縮試塊的壓縮實驗參考參考國標：GB/T 7341—2005《金屬材料室溫下壓縮實驗》，實驗步驟為：室溫條件下，將點陣壓縮試塊放在CMT5105 微機控制電子萬能實驗機壓臺上，用引伸計測量應(yīng)變，加載的控制方式使用位移控制，速度為3mm/min。觀察實驗機得到的載荷-位移曲線，當壓頭持續(xù)加壓直至載荷降低50%時，實驗結(jié)束。

2 結(jié)果和討論

2.1 仿真結(jié)果

經(jīng)過模擬和實驗得到的拉伸力-位移曲線如圖3、圖4 所示。在拉伸過程中試件經(jīng)歷了2 個階段：第一階段為彈性階段，力-位移曲線呈線性關(guān)系；第二階段為塑性屈服階段，在此階段試件產(chǎn)生不可回復(fù)的變形并最終導(dǎo)致試件斷裂。試件在整個斷裂過程中主要以彈性變形為主，呈現(xiàn)脆斷的特性。

圖3 金剛石結(jié)構(gòu)拉伸力-位移曲線

圖4 面心結(jié)構(gòu)拉伸力-位移曲線

經(jīng)過模擬和實驗得到的壓縮力-位移曲線如圖5、圖6 所示。在壓縮過程中試件經(jīng)歷了3 個階段：第一階段為彈性變形階段，這主要是由試件材料的彈性變形所產(chǎn)生的；第二階段為強化階段，桿件產(chǎn)生彈性變形與塑性變形；第三階段是軟化階段，隨著應(yīng)變的增加，應(yīng)力逐漸減小，最終發(fā)生破壞。

圖5 金剛石結(jié)構(gòu)壓縮力-位移曲線

由圖5、6 可知，點陣拉伸試片的最大應(yīng)力出現(xiàn)在點陣結(jié)構(gòu)與試片蒙皮連接處，且點陣拉伸試片中段的應(yīng)力較大，這是因為點陣結(jié)構(gòu)與拉伸試片蒙皮連接處接觸面積較小，存在應(yīng)力集中；點陣壓縮試塊在45°方向上的應(yīng)力較大，金剛石結(jié)構(gòu)為各向同性結(jié)構(gòu)，且結(jié)構(gòu)中各支桿直徑相等，其變形較為均勻，面心加斜筋結(jié)構(gòu)中由于存在半圓柱形支柱，在加載過程中半圓柱形支柱處應(yīng)力較大，首先發(fā)生破壞。

圖6 面心結(jié)構(gòu)壓縮力-位移曲線

2.2 實驗結(jié)果

由表3 可知，面心加斜筋結(jié)構(gòu)的最大拉伸力要高于金剛石結(jié)構(gòu)，但是兩者相差不大，力學(xué)性能模擬結(jié)果的誤差在13%以內(nèi)，模擬結(jié)果能夠?qū)嶒灲Y(jié)果有效進行預(yù)測；兩種結(jié)構(gòu)的斷后伸長率均低于5%，表現(xiàn)出脆性斷裂特征；由表4 可知，面心加斜筋結(jié)構(gòu)的最大壓力為55904N，遠遠大于金剛石結(jié)構(gòu)所能承受的23014N。

表3 不同點陣結(jié)構(gòu)最大拉力與實驗結(jié)果對比

表4 不同點陣結(jié)構(gòu)最大壓力與實驗結(jié)果對比

3 結(jié)語

金剛石結(jié)構(gòu)和面心加斜筋結(jié)構(gòu)在拉伸過程中經(jīng)歷彈性階段和塑性屈服階段；在壓縮過程中經(jīng)歷彈性變形階段、強化階段和軟化階段。模擬結(jié)果表明，點陣拉伸試片的最大應(yīng)力出現(xiàn)在點陣結(jié)構(gòu)與試片蒙皮連接處，且點陣拉伸試片中段的應(yīng)力較大；金剛石結(jié)構(gòu)中各支桿直徑相等，其變形較為均勻，面心加斜筋結(jié)構(gòu)中由于存在半圓柱形支柱，在加載過程中半圓柱形支柱處應(yīng)力較大，首先發(fā)生破壞。綜合來看，面心加斜筋結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能要優(yōu)于金剛石結(jié)構(gòu)。