结构尺寸对Ti6Al4V多孔结构力学性能的影响

采用激光选区熔化技术制造了不同单元结构尺寸（1~6 mm）、孔隙率（40~80%）的拓扑优化多孔阵列结构，研究了单元结构尺寸对其压缩形变规律和弹性性能的影响。结果表明，多孔阵列结构的抗压强度、弹性模量均与单元结构尺寸成反比，抗压强度在126~199 MPa，弹性模量在3.5~55.47 GPa；压缩应力-应变曲线与单元结构尺寸有关，分别遵循弹性、弹脆性和脆性多孔材料三种应力应变规律；通过数值模拟多孔阵列结构的压缩形变过程，解释了两种45°断裂带的成因，力学性能与实验结果基本吻合；利用Gibson-Ashby模型评价多孔结构的稳定性，稳定性参数C与单元结构尺寸成反比；给出Gibson-Ashby拟合方程，特征参数n随单元结构尺寸增加而增大；建立了单元结构尺寸、相对密度和相对弹性模量的三维曲面数学模型，提出骨植入体的设计区域。     

准分子激光辐照对激光选区熔化成形Ti6Al4V合金表面浸润性的影响

目的 提高激光选区熔化成形（Selective Laser Melting, SLM）Ti6Al4V合金的表面亲水性。方法 通过调控248 nm KrF准分子激光功率密度和脉冲数，对SLM成形Ti6Al4V合金进行表面改性。利用扫描电子显微镜和激光扫描共聚焦显微镜对激光辐照前后的表面形貌和粗糙度进行表征，利用EDS能谱分析仪和X射线衍射仪对激光辐照后试样的表面成分进行分析，利用接触角测量仪来表征试样表面的浸润性。结果 在50个激光脉冲数下，通过控制准分子激光功率密度为0~531 mJ/cm2，使SLM成形Ti6Al4V表面接触角由(116±4)°减小至(7.5±0.4)°。通过表面形貌观察，激光辐照后的Ti6Al4V表面变得更加平滑，表面粗化现象得到改善。激光辐照后的Ti6Al4V表面粗糙度由(40.3±3.7) μm减小至(8.3±1.7) μm，试样表面与氧气发生反应，导致氧元素质量分数增加至33.54%，且有TiO产生。通过Cassie-Baxter 模型和试样三维表面形貌分析，激光辐照后的Ti6Al4V表面更加光滑，使固-液-气复合界面上固体所占的百分比增加，导致试样变得更加亲水。通过时效性测试，发现试样的表面接触角在48 h内具有稳定性。结论 通过改变准分子激光的功率密度，可以快速高效地降低SLM成形Ti6Al4V合金的表面粗糙度，改善并调控Ti6Al4V的表面亲水性。     

激光增材制造Ti6Al4V点阵结构的抗压吸能特性

人体骨骼受到碰撞后的断裂过程伴随着能量吸收,多孔骨植入体的设计需考虑结构的抗压吸能特性。在空间尺寸(20 mm×20 mm×30 mm)内,通过拓扑优化设计和激光增材制造技术制备不同胞元尺寸和相对密度的Ti6Al4V点阵结构,采用熔池监控、单向压缩实验和有限元仿真方法,探究了点阵结构的表面质量、断裂形变规律和吸能特性。结果表明,点阵结构的结构参数受熔池温度场和粉末支持力的影响;点阵结构的抗压行为遵循弹脆性变化规律,断裂带与制造方向呈45度;点阵结构的断裂机制为韧性断裂,裂纹沿内部微孔洞分布方向扩展;能量吸收能力与相对密度成正比关系,与胞元尺寸成反比;能量吸收效率与相对密度成反比,与胞元尺寸均成正比关系。     

选区激光熔化成形Ti6Al4V合金拉伸性能提高的研究

目的提高选区激光熔化(SLM)成形Ti6Al4V合金的成形态延伸率,使成形态组织的拉伸性能接近或达到锻件标准。方法采用原位分解的方法,通过调节SLM成形过程中的工艺参数,如激光功率、能量密度、层厚、支撑所占面积比等,使已成形层中的针状α'马氏体在温度场作用下分解成α+β相。利用微观组织分析(SEM)、物相分析(XRD)和拉伸性能测试,明确Ti6Al4V合金发生原位分解的条件。结果增加SLM制造的层厚(60μm),提高激光功率(375 W),有利于降低SLM制造过程中的冷却速度和温度梯度,使马氏体组织发生a'→a+b相变。SEM和XRD结果表明,Ti6Al4V合金原位分解后的成形态显微组织由针状α相和颗粒状β相构成,不同于高温梯度和极快冷却速度下的常规SLM成形态组织。拉伸性能测试结果表明,Ti6Al4V经过原位分解后,在提高延伸率的同时,仍保持高屈服强度,屈服强度达到1100MPa以上,延伸率达到8%。断裂机制为韧性断裂。结论 SLM成形的Ti6Al4V合金经原位分解后,拥有更好的韧性,成形态的拉伸性能得到提高。     

滚筒振动对铺粉质量影响的离散元模拟

以Al₂O₃陶瓷粉末为研究对象，建立了Al₂O₃陶瓷粉末流动的离散元方法模型。针对增材制造铺粉工艺中滚筒振动对粉床质量的影响问题，模拟滚筒振动方向、振幅和频率对粉床的密实性、均匀性和平整度的影响规律。仿真结果表明：滚筒轴向振动可提高粉床密实性和均匀性，却会导致粉床平整度变差；滚筒径向振动会导致较差的粉床平整度，当振幅大于8 μm时，颗粒的压缩和回弹效应导致粉床质量显著降低；滚筒切向振动可以提高粉床的密实性和均匀性，对粉床平整度影响很小，但切向振动频率过高容易引起粉末飞溅。研究表明在切向方向对滚筒施加低频的振动可以有效提高增材制造粉床质量。     

激光选区熔化成形拓扑优化梯度点阵结构的抗压性能研究

点阵结构具有优异的抗压性能和吸能性能，被广泛应用于生物医疗、车辆工程和航空航天等领域。采用拓扑优化设计和激光选区熔化成形技术(SLM),制备一系列等密度和梯度点阵结构，研究其表面形貌、抗压形变行为和吸能性能。研究结果表明，SLM技术具备成形微小结构的能力，可制备出相对密度大于0.20的点阵结构；等密度点阵结构的抗压形变机制为整体发生弹性屈曲，进而实现致密化，而梯度点阵结构的抗压形变机制为逐层发生形变压实，达到致密化；点阵结构的能量吸收能力值与相对密度成正比，与结构类型无关；能量吸收效率受结构的密度分布影响，梯度点阵结构具有更高的能量吸收效率。