王元晶,陳 薦,周立波,李超穎,廖興宇

(長(zhǎng)沙理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,長(zhǎng)沙 410114)

0 引言

在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,當(dāng)人體中植入物的彈性模量高于骨組織時(shí),會(huì)出現(xiàn)“應(yīng)力屏蔽”現(xiàn)象,長(zhǎng)期使用后植入處會(huì)出現(xiàn)骨萎縮[1],造成植入物松動(dòng)。β型Ti-Mo鈦合金的彈性模量低于α和α+β型鈦合金[2],含有的β相穩(wěn)定元素鉬對(duì)人體無害、無副作用,合金的耐腐蝕性能好[3],因此β型Ti-Mo合金在植入體生物醫(yī)用領(lǐng)域應(yīng)用前景廣泛。Ti-15Mo合金是一種低彈性模量(約為78 GPa)、高抗拉強(qiáng)度(840.41 MPa)、高延展性(斷后伸長(zhǎng)率為32.37%)的β型鈦合金[4],已被納入美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)(ASTM)骨植入醫(yī)用生物材料[5]。HO[6]比較了商業(yè)純鈦以及Ti-7.5Mo、Ti-15Mo和Ti-6Al-4V 鈦合金的力學(xué)性能和耐蝕性,發(fā)現(xiàn)Ti-15Mo合金的彈性模量低于商業(yè)純鈦和Ti-6Al-4V合金,且腐蝕電位最高。

多孔結(jié)構(gòu)材料與同種致密塊體材料相比,彈性模量明顯降低,并且能夠?yàn)楣墙M織的內(nèi)生長(zhǎng)提供空間,從而實(shí)現(xiàn)與骨組織更好的結(jié)合[1],是致密塊體材料植入物的替代品?？紫堵食侍荻茸兓奶荻榷嗫撞牧细先梭w外層皮質(zhì)骨和內(nèi)層松質(zhì)骨的骨密度呈梯度變化的骨骼特征[7],其中高孔隙率區(qū)域?yàn)楣羌?xì)胞遷移、增殖和分化提供足夠的空間,低孔隙率區(qū)域則保證足夠的力學(xué)性能以滿足承重要求[8]。

單元格頂點(diǎn)或邊緣的節(jié)點(diǎn)(有時(shí)也在單元格內(nèi)部)由細(xì)長(zhǎng)的桿/梁連接的多孔結(jié)構(gòu)通常被稱為支桿或橫梁結(jié)構(gòu)[9]。支桿結(jié)構(gòu)易于調(diào)控孔隙率及制備,然而其節(jié)點(diǎn)處會(huì)產(chǎn)生明顯的應(yīng)力集中[10-11],更易萌生裂紋[11],嚴(yán)重影響多孔材料的力學(xué)性能。近年來,多孔材料拓?fù)湫螤畹难芯拷裹c(diǎn)轉(zhuǎn)向三重周期最小曲面(TPMS)結(jié)構(gòu)。TPMS結(jié)構(gòu)是數(shù)學(xué)定義的多孔結(jié)構(gòu),在3個(gè)維度重復(fù),平均曲率為0,表面積大[12]。具有TPMS結(jié)構(gòu)的多孔金屬生物材料在很大程度上模仿了皮質(zhì)骨的拓?fù)?、力學(xué)和物理性質(zhì),是骨植入生物材料的潛在候選者[13]。

增材制造技術(shù)具有能精確控制材料內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn),為梯度多孔材料的制備提供可能。然而,目前并未見采用該技術(shù)制備梯度多孔Ti-15Mo合金的相關(guān)研究。因此,作者采用激光選區(qū)熔化(SLM)成形技術(shù)制備具備支桿結(jié)構(gòu)和TPMS結(jié)構(gòu)晶胞的梯度多孔Ti-15Mo合金材料,研究了不同晶胞結(jié)構(gòu)及梯度方向材料的成形質(zhì)量、壓縮變形行為和壓縮性能。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

選取5種晶胞類型,如圖1所示,來設(shè)計(jì)多孔材料。其中體心立方體(BCC)和十四面體(Kelvin)晶胞為支桿結(jié)構(gòu),通過Creo7.0軟件進(jìn)行建模;螺旋二十四面體(Gyroid)、金剛石立方體(Diamond)和初基(Primitive)晶胞為TPMS結(jié)構(gòu),通過Rhino7.0軟件進(jìn)行建模,5 種晶胞的孔隙率均約為75%。BCC、Gyroid、Diamond和Primitive晶胞尺寸為2.5 mm,通過連接晶胞形成尺寸為20 mm×15 mm×20 mm的多孔材料;Kelvin晶胞尺寸為3 mm,通過連接晶胞形成尺寸為20 mm×15 mm×20 mm 的多孔材料。為保證不同密度梯度層交界處光滑過渡,各層支桿直徑或曲面厚度變化是近似線性的。

圖1 多孔結(jié)構(gòu)材料的晶胞類型Fig.1 Cell types of porous structure material

試驗(yàn)原料為氣霧化法制備的Ti-15Mo合金粉末,化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)為15.695Mo,0.22O,余Ti。粉末大部分為球形顆粒,表面光滑,如圖2所示,粒徑主要集中在25～45 μm,d10,d50,d90分別為11.8,32.8,55.0 μm?；w材料為Ti6Al4V 鈦合金,尺寸為127 mm×108 mm。采用BLT-S210型選區(qū)激光熔化設(shè)備制備多孔Ti-15Mo合金試樣,根據(jù)文獻(xiàn)[5]選擇工藝參數(shù),激光功率為175 W,光斑直徑為60 μm,鋪粉層厚為30 μm,掃描間距為30 μm,掃描速度為1 100 mm·min-1,掃描策略為逐層旋轉(zhuǎn)67°。按無孔隙率變化、垂直方向孔隙率減小(減小方向與成形方向相反)、橫向孔隙率減小工藝分別制備均勻試樣、垂直梯度試樣和橫向梯度試樣。BCC、Kelvin、Gyroid、Diamond、Primitive晶胞垂直/橫向梯度試樣的梯度孔隙率變化范圍分別為63.3%～87.0%,62.9%～87.7%,62.7%～87.6%,66.1%～83.8%,65.8%～85.0%。

圖2 Ti-15Mo合金粉末的微觀形貌Fig.2 Micromorphology of Ti-15Mo alloy powder

1.2 試驗(yàn)方法

采用電火花切割法將試樣與基板分離,用酒精進(jìn)行超聲清洗,干燥待用。采用FEI Quanta 200 FEG 型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察試樣的表面形貌。采用AP224X型電子天平稱取試樣質(zhì)量,采用干重法測(cè)定試樣的孔隙率P,計(jì)算公式[14]為

式中:m為試樣質(zhì)量;ρ0為Ti-15Mo合金的理論密度;V為多孔試樣的表觀體積。

根據(jù)ISO 13314—2011,采用INSTRON 5985型萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行壓縮試驗(yàn),壓縮速度為2 mm·min-1,3種試樣的壓縮方向均與成形方向平行且相反,以減小成形方向?qū)αW(xué)性能的影響[15-16],其中垂直梯度試樣的壓縮方向與孔隙率減小方向平行且同向,橫向梯度試樣的壓縮方向與孔隙率減小方向垂直。壓縮試驗(yàn)的終止條件為試驗(yàn)力達(dá)到98 kN或試樣達(dá)到致密化,試驗(yàn)過程中每增加0.1應(yīng)變用相機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行拍照,直至試驗(yàn)終止或應(yīng)變達(dá)到0.6。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 微觀形貌

由圖3可見,5種晶胞類型的橫向梯度試樣表面均黏結(jié)著未熔化和半熔化顆粒。BCC晶胞試樣的傾斜支桿存在階梯效應(yīng),導(dǎo)致實(shí)際試樣的支桿厚度不均勻且表面粗糙。BCC、Kelvin、Primitive晶胞試樣均存在大量?jī)A斜支桿或曲面,支桿或曲面的交點(diǎn)部位產(chǎn)生狹窄凹坑,凹坑處沉積了大量粉末并且粉末發(fā)生重熔填充凹坑。BAGHERI等[17]指出,試樣節(jié)點(diǎn)黏結(jié)粉末以及對(duì)角線支桿的階梯效應(yīng),會(huì)導(dǎo)致實(shí)際試樣質(zhì)量的增加,并且其幾何形狀與理論設(shè)計(jì)的幾何形狀產(chǎn)生差異。Gyroid 和Diamond晶胞試樣的不同孔隙率層過渡質(zhì)量良好,可制造性較高。

圖3 不同晶胞類型橫向梯度試樣的SEM 形貌Fig.3 SEM morphology of lateral gradient samples with different types of crystal cell

2.2 孔隙率

由表1可見,不同晶胞類型和結(jié)構(gòu)類型試樣的實(shí)際孔隙率均低于理論設(shè)計(jì)值,這是因?yàn)楸砻骛そY(jié)的顆粒使支桿的直徑變大,TPMS結(jié)構(gòu)的曲面厚度增加,試樣質(zhì)量增大,孔隙率降低。垂直梯度和橫向梯度試樣的實(shí)際孔隙率相近,與均勻試樣的差異也很小。晶胞類型對(duì)試樣實(shí)際孔隙率的影響較大,Primitive晶胞試樣的孔隙率偏差最大,在8.0%～8.4%;Gyroid 晶胞試樣的孔隙率偏差最小,在1.3%～1.6%;BCC、Kelvin和Primitive晶胞試樣的孔隙率偏差較Gyroid和Diamond晶胞更大,這是因?yàn)椴牧橡そY(jié)粉末的能力和支桿與成形平面的角度有關(guān)[18],這3種晶胞試樣中支桿或曲面交點(diǎn)處凹坑沉積了大量粉末,導(dǎo)致孔隙率下降,孔隙率偏差增大。

表1 不同多孔結(jié)構(gòu)試樣的孔隙率Table 1 Porosities of specimens with different porous structures

2.3 壓縮變形行為

2.3.1 均勻試樣

由圖4可見,在壓縮初始階段,5種晶胞類型的均勻試樣整體發(fā)生均勻變形,隨著應(yīng)變的增加,試樣局部區(qū)域發(fā)生初始變形,最后顯著變形逐漸向均勻變形區(qū)域擴(kuò)展,直至試樣全部壓實(shí)致密。不同晶胞結(jié)構(gòu)的均勻試樣在壓縮過程中應(yīng)力分布不同,出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象的部位不同[19],發(fā)生初始變形的部位也不同。SLM 成形件中無法避免的微孔洞或微裂紋等缺陷產(chǎn)生的應(yīng)力集中會(huì)使試樣的應(yīng)變分布更加不均勻,失效往往出現(xiàn)在缺陷較多的支桿上[20]。BCC晶胞的對(duì)角剪切力較大,試樣整體以對(duì)角變形方式壓實(shí),傾斜桿圍繞著節(jié)點(diǎn)發(fā)生彎曲變形,在節(jié)點(diǎn)附近形成穩(wěn)定的塑性鉸而不發(fā)生斷裂,最終慢慢彎曲至水平狀態(tài)[21]。

圖4 不同晶胞類型均勻試樣在不同應(yīng)變下的壓縮變形形貌Fig.4 Compression deformation morphology of uniform specimens with different types of crystal cell under different strains

由圖5可見,不同晶胞類型均勻試樣的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線可分為線彈性、長(zhǎng)平臺(tái)和致密化3個(gè)階段[14]。5種晶胞類型均勻試樣均未發(fā)生明顯的脆性斷裂,表現(xiàn)出良好的塑性變形能力,應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)出穩(wěn)定的平臺(tái)階段。對(duì)于BCC和Kelvin支桿晶胞均勻試樣,壓縮過程中節(jié)點(diǎn)附近傾斜桿會(huì)隨著應(yīng)變的增加而發(fā)生接觸,因此應(yīng)力-應(yīng)變曲線出現(xiàn)應(yīng)力穩(wěn)定增長(zhǎng)的平臺(tái)階段。在線彈性階段,Kelvin晶胞均勻試樣由于發(fā)生了拉伸變形,其應(yīng)力增長(zhǎng)速率大于BCC晶胞均勻試樣。支桿晶胞均勻試樣存在大量無法壓縮的孔洞,實(shí)際相對(duì)壓縮空間較小,因此在應(yīng)變?yōu)?.3～0.4時(shí)就進(jìn)入了致密化階段;Kelvin晶胞均勻試樣的傾斜桿之間存在錯(cuò)開空間,較BCC晶胞均勻試樣壓縮空間更大,因此具有更長(zhǎng)的平臺(tái)階段和更大的壓縮應(yīng)變。對(duì)于Gyroid、Diamond和Primitive這3種TPMS晶胞均勻試樣,其晶胞的弧形外殼拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在單元長(zhǎng)度上不斷改變載荷方向的對(duì)齊方式,并且殼體的連續(xù)性優(yōu)化了載荷傳遞機(jī)制,應(yīng)力分布更為均勻,彈性和塑性階段之間呈現(xiàn)平滑過渡[22];從而使TPMS晶胞均勻試樣的孔洞被完全壓實(shí),在應(yīng)變?yōu)?.6～0.7時(shí)才進(jìn)入完全致密階段,較支桿晶胞試樣具有更高的抗壓強(qiáng)度和更長(zhǎng)的平臺(tái)階段。然而,Primitive晶胞均勻試樣存在少量不可壓縮的孔洞,如圖6所示,因此其最大壓縮應(yīng)變略低于Gyroid和Diamond晶胞均勻試樣。3種TPMS晶胞均勻試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線均出現(xiàn)了應(yīng)力下降的微小波動(dòng),這是因?yàn)镚yroid和Diamond晶胞均勻試樣的垂直部位、Primitive晶胞試樣的傾斜部位應(yīng)力集中最顯著[23],這些部位在壓縮過程中突然坍塌,導(dǎo)致應(yīng)力下降。在延展性較好的具有TPMS晶胞均勻結(jié)構(gòu)的商業(yè)純鈦[16]和316不銹鋼[24]試樣中也觀察到了類似現(xiàn)象。

2.3.2 垂直梯度試樣

由圖7可見,在壓縮初始階段,5種不同晶胞類型的垂直梯度試樣均在頂部高孔隙率區(qū)域發(fā)生明顯變形,并向兩邊擴(kuò)展,而底部低孔隙率區(qū)域未發(fā)生變形。垂直梯度試樣的壓縮變形機(jī)制為從頂部到底部的逐層坍塌壓實(shí),壓縮后試樣呈寬頂(高孔隙率)和窄底(低孔隙率)的梯形形狀,這與文獻(xiàn)[21,23,25-26]的研究結(jié)果相吻合。

圖7 不同類型晶胞垂直梯度試樣在不同應(yīng)變下的壓縮變形形貌Fig.7 Compression deformation morphology of vertical gradient specimens with different types of crystal cell under different strains

由圖8可見,Kelvin晶胞垂直梯度試樣的應(yīng)力增長(zhǎng)速率遠(yuǎn)大于Kelvin晶胞均勻試樣和其余4種晶胞垂直梯度試樣。這是因?yàn)镵elvin晶胞垂直梯度試樣頂部孔隙率較高,彎曲變形不足以抵抗前期變形,低應(yīng)變的情況下以垂直桿的拉伸變形為主,而拉伸變形會(huì)增大多孔結(jié)構(gòu)試樣的強(qiáng)度[27]。Gyroid、Diamond和Primitive這3種TPMS晶胞垂直梯度試樣在應(yīng)變低于0.4時(shí)出現(xiàn)了多次應(yīng)力波動(dòng),第1次應(yīng)力波動(dòng)較大,隨著應(yīng)變?cè)黾硬▌?dòng)逐漸減小,最后消失,這與BAI等[25]得到的基于厚度變化的徑向梯度結(jié)構(gòu)多孔材料的研究結(jié)果相似。多孔結(jié)構(gòu)試樣的脆性坍塌會(huì)因晶胞尺寸的減小或相對(duì)密度的增加而轉(zhuǎn)為塑性變形,應(yīng)力波動(dòng)也會(huì)隨之消失[20,27]。TPMS晶胞垂直梯度試樣第2次應(yīng)力波動(dòng)部位的孔隙率較第1次低,塑性變形能力增大,導(dǎo)致應(yīng)力波動(dòng)減小;隨著應(yīng)變的增大,試樣底部的孔隙率越來越低,整體也發(fā)生了較大的均勻塑性變形,不易突然發(fā)生坍塌壓實(shí),因此應(yīng)力波動(dòng)逐漸減小直至消失。

圖8 不同晶胞類型垂直梯度試樣的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.8 Compressive stress-strain curves of vertical gradient specimens with different types of crystal cell

2.3.3 橫向梯度試樣

在壓縮過程中,橫向梯度試樣的應(yīng)力在層間的分布較垂直梯度試樣更均勻,與均勻試樣相同[28]。由圖9可見,在壓縮初始階段,5種不同晶胞的橫向梯度試樣整體發(fā)生均勻變形,隨著應(yīng)變的增加,局部出現(xiàn)明顯變形,逐漸向均勻變形區(qū)域擴(kuò)展,最后試樣壓實(shí)進(jìn)入致密化階段。橫向梯度試樣的壓縮變形過程與均勻結(jié)構(gòu)試樣相似,但兩者發(fā)生局部初始變形的部位不同。BCC、Kelvin、Gyroid晶胞橫向梯度試樣的初始大變形均發(fā)生在孔隙率低的部位,這是因?yàn)檫@3種晶胞為“三明治”結(jié)構(gòu),孔隙率低的部位應(yīng)力較大,會(huì)先發(fā)生斷裂失效[29]。Gyroid晶胞橫向梯度試樣整體呈45°剪切變形,與Gyroid晶胞均勻試樣完全不同。Diamond晶胞橫向梯度試樣的初始變形在應(yīng)變?yōu)?.2時(shí)于孔隙率高的部位發(fā)生,并在應(yīng)變?yōu)?.3時(shí)擴(kuò)展至下一多孔層的高孔隙率部位,但是發(fā)生初始變形的多孔層對(duì)應(yīng)的低孔隙率部位并未發(fā)生明顯變形,最終上述兩層在應(yīng)變?yōu)?.4時(shí)完全坍塌壓實(shí)。Primitive晶胞橫向梯度試樣的初始變形發(fā)生在中間部位。

不同晶胞類型的橫向梯度試樣發(fā)生初始變形的部位有很大的差異,這與試樣中的實(shí)際應(yīng)力分布及其理論屈服強(qiáng)度有關(guān)[30]。在實(shí)際壓縮過程中,橫向梯度試樣由于低孔隙率區(qū)域的應(yīng)力集中,其應(yīng)力和應(yīng)變分布不均勻[29];試樣中各梯度層的理論屈服強(qiáng)度可以通過Gibson-Ashby 公式[14]計(jì)算。BCC、Kelvin和Gyroid晶胞橫向梯度試樣低孔隙率部位的應(yīng)力集中水平高于其理論屈服強(qiáng)度,因此先發(fā)生初始變形;Diamond和Primitive晶胞橫向梯度試樣高孔隙率部位的應(yīng)力集中水平高于其理論屈服強(qiáng)度,因此先發(fā)生初始變形。YANG 等[30]研究發(fā)現(xiàn)Gyroid晶胞橫向梯度試樣變形機(jī)制與Gyroid晶胞均勻試樣相似,均為在垂直方向均勻變形直至致密化,這可能是因?yàn)椴煌紫堵蕦拥膶?shí)際應(yīng)力值與各層理論屈服強(qiáng)度值大致相同,因此各梯度層同時(shí)發(fā)生變形。此外,試樣中的缺陷如微孔洞和微裂紋會(huì)成為塑性流動(dòng)的開始部位[31],這也會(huì)導(dǎo)致初始局部變形發(fā)生的部位不同。

由圖10可見,橫向梯度試樣的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線與均勻試樣相似,這與兩者具有相似的變形機(jī)制有關(guān),在此不重復(fù)敘述。

圖10 不同類型晶胞橫向梯度試樣的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.10 Compressive stress-strain curves of lateral gradient specimens with different types of crystal cell

2.4 壓縮性能

常采用波動(dòng)明顯的應(yīng)力-應(yīng)變曲線中第1次峰值應(yīng)力作為抗壓強(qiáng)度[32]。由于BCC晶胞試樣的平臺(tái)階段較短,平臺(tái)應(yīng)力為應(yīng)變?cè)?0%～30%的應(yīng)力平均值,其余晶胞試樣均按應(yīng)變20%～40%的應(yīng)力平均值計(jì)算。由表2可見,TPMS晶胞試樣的平臺(tái)應(yīng)力與延展性高于支桿晶胞試樣,這是因?yàn)門PMS晶胞試樣的應(yīng)力分布更為均勻,導(dǎo)致致密時(shí)應(yīng)變更高。此外,TPMS晶胞試樣中的豎直曲面存在拉伸變形,以拉伸變形為主導(dǎo)的多孔結(jié)構(gòu)試樣的強(qiáng)度和彈性模量較以彎曲變形為主導(dǎo)的試樣更高[19]。Diamond晶胞試樣中存在大量豎直曲面,因此其強(qiáng)度和延展性最高;BCC 晶胞試樣以彎曲變形為主導(dǎo),且在節(jié)點(diǎn)處存在應(yīng)力集中,因此強(qiáng)度最低。值得注意的是,Kelvin晶胞試樣中存在大量以拉伸變形為主導(dǎo)的垂直桿,其強(qiáng)度與TPMS晶胞試樣相近。

表2 不同多孔結(jié)構(gòu)試樣的壓縮性能Table 2 Compressive properties of specimens with different porous structures

除BCC晶胞外,其余4種晶胞橫向梯度試樣的壓縮性能與均勻試樣相近,BCC晶胞橫向梯度試樣的彈性模量、屈服強(qiáng)度、平臺(tái)應(yīng)力分別為均勻試樣的133%,134%,132%。5種晶胞垂直梯度試樣的彈性模量和屈服強(qiáng)度明顯低于均勻試樣,平臺(tái)應(yīng)力與均勻試樣相近。垂直梯度試樣的彈性模量和屈服強(qiáng)度受頂部高孔隙率區(qū)域坍塌壓實(shí)的影響而降低[28],到達(dá)平臺(tái)階段時(shí)試樣已發(fā)生了很大變形,實(shí)際密度已和均勻試樣相近,因此平臺(tái)應(yīng)力相近。垂直梯度試樣的壓縮性能還受晶胞類型的影響,支桿晶胞的影響程度明顯大于TPMS晶胞,其中Kelvin晶胞的影響程度最大,其垂直梯度試樣的屈服強(qiáng)度、彈性模量、平臺(tái)應(yīng)力分別為均勻試樣的33.5%,57.3%,92.9%。

HAO 等[32]的研究結(jié)果表明,理想的多孔支架材料的彈性模量應(yīng)小于松質(zhì)骨和皮質(zhì)骨,屈服強(qiáng)度應(yīng)高于皮質(zhì)骨。松質(zhì)骨的彈性模量為0.1～4.5 GPa[13],皮質(zhì)骨的屈服強(qiáng)度為103～222 MPa,彈性模量為5～20 GPa[16,33-35]。由表2 還可知,Diamond晶胞試樣的綜合壓縮性能最好,其彈性模量與松質(zhì)骨相重合,屈服強(qiáng)度與皮質(zhì)骨相近,不同方向上的平臺(tái)應(yīng)力與皮質(zhì)骨的抗壓強(qiáng)度相重合。因此,Diamond晶胞梯度多孔結(jié)構(gòu)材料是較為理想的骨植入材料,其余晶胞類型材料也可通過適當(dāng)降低孔隙率以滿足骨植入材料的力學(xué)性能要求。

由圖11可見,由于TPMS晶胞試樣的平臺(tái)應(yīng)力和致密化應(yīng)變均高于支桿晶胞試樣,其累積能量吸收值也整體上高于支桿晶胞試樣,表現(xiàn)出更好的能量吸收能力。Diamond晶胞試樣的累積能量吸收值最大,為107.4～117.9 MJ·m-3,BCC晶胞試樣的累積能量吸收值最小,為30.4～47.2 MJ·m-3,可見晶胞類型對(duì)累積能量吸收值的影響極大。支桿晶胞橫向/垂直梯度試樣的累積能量吸收值高于均勻試樣。

圖11 不同晶胞類型多孔結(jié)構(gòu)試樣的累積能量吸收值Fig.11 Cumulative energy absorption of gradient porous specimens with different cell types

當(dāng)孔隙率與晶胞類型相同時(shí),多孔結(jié)構(gòu)材料的壓縮性能主要取決于其塊體材料的延展性和強(qiáng)度[36]。SLM 制備的Ti-15Mo合金具有適量的ω相、高密度的位錯(cuò)和細(xì)小的晶粒,使其具有高強(qiáng)度;孿晶誘導(dǎo)的塑性和紋理取向的變化使其具有高延展性[5]。與現(xiàn)有相關(guān)研究較多的材料[10,12-13,16,32,37-39]相比,在近似孔隙率和相同晶胞類型的條件下,均勻多孔結(jié)構(gòu)Ti-15Mo合金材料繼承了其塊體材料高強(qiáng)度和高延展性的特點(diǎn),具有更高的綜合壓縮性能與能量吸收能力。

3 結(jié)論

(1) Ti-15Mo合金多孔結(jié)構(gòu)試樣的傾斜支桿或曲面會(huì)黏結(jié)更多粉末,成形質(zhì)量較差;梯度多孔結(jié)構(gòu)試樣不同孔隙率層過渡質(zhì)量良好,可制造性較高。

(2) Ti-15Mo合金垂直梯度試樣的變形機(jī)制為由頂部高孔隙率區(qū)域到底部低孔隙率區(qū)域的逐層變形,屈服強(qiáng)度和彈性模量低于均勻試樣;橫向梯度與均勻試樣的變形機(jī)制均為先整體均勻變形,隨應(yīng)變的增加局部出現(xiàn)顯著變形,變形逐層向均勻變形區(qū)域擴(kuò)展,兩者的壓縮性能和累積能量吸收值相近。

(3) 不同晶胞類型的多孔結(jié)構(gòu)Ti-15Mo合金材料的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線均沒有出現(xiàn)顯著的應(yīng)力波動(dòng)情況;TPMS晶胞試樣的壓縮性能、累積能量吸收值和致密化應(yīng)變整體上是高于支桿晶胞試樣的;Diamond晶胞試樣的綜合性能最優(yōu),其橫向梯度試樣的彈性模量、屈服強(qiáng)度、平臺(tái)應(yīng)力、累積能量吸收值分別為4.088 GPa、134.5 MPa、175.4 MPa、117.92 MJ·m-3,垂直梯度試樣的分別為3.761 GPa、104.8 MPa、165.2 MPa、92.19 MJ·m-3。