
我们用 AlSi10Mg 铝合金粉末当作原材料,使用德国 EOS M290 激光 3D 打印设备(用的是 DMLS 打印技术),按照螺旋式的激光 3D 扫描方向,用三种打印工艺参数来打印符合设计尺寸的金字塔型 AlSi10Mg 点阵结构材料。它的结构设计参数是这样的:单胞杆单元直径是 1.5 毫米、单胞杆长 6 毫米、单胞杆和投影面夹角 45 度、杆截面形状是圆形、点阵层数有 3 层、每层单胞个数是 9 个。这三种打印工艺参数的区别就在于激光功率和激光扫描速度不一样。不过这三种方法打印出来的构件都能成型,而且实际测量的尺寸和三维软件设计的原来尺寸很接近,符合原来设计的要求。说到缺陷呢,用参数 A(激光功率 350W,扫描速度 1200 毫米/秒)和参数 C(激光功率 380W,扫描速度 1400 毫米/秒)打印出来的点阵结构材料里面都有比较大的气孔,还有很多因为合金颗粒没有完全熔化造成的缺陷;而用参数 B(激光功率 370W,扫描速度 1300 毫米/秒)打印出来的点阵结构材料内部孔洞缺陷比较少,只有少量小圆孔状的缺陷。这样我们就得到了最佳的激光 3D 打印工艺参数:环境温度 80℃、金属粉层厚度 30 微米、激光束直径 80 微米、激光能量 370W、激光扫描速度 1300 毫米/秒。

0.6MPa 比较低的压力下,热处理后的曲线弹性最大压缩应力值是 58MPa,比原始构件的 74MPa 要低。但是随着压力不断变大,热处理后的弹性最大压缩应力值就快速上升,到最后还超过了原始构件。并且在 1.2MPa 和 1.5MPa 压力下,热处理前后的应力应变曲线重合度非常高。从这我们可以猜想到,热处理后的 AlSi10Mg 点阵结构材料可能在高压力(应变率)下的压缩实验里表现更好。在了解了准静态压缩情况下,金字塔型 AlSi10Mg 点阵结构材料在正常工作时的压缩行为后,我们就用霍普金森压杆来研究它在受到冲击载荷时的压缩力学行为,分析它的动态响应,也就是看看原始 3D 打印状态和热处理工艺下,它的压缩应变速率以及应力应变行为有啥变化。结果发现:热处理前后的试样基本都处在恒定的压缩应变率下面,而且随着施加压力不断变大,压缩应变速率也跟着变大,原始试样的压缩应变速率就从 724s - 1 增加到了 1044s - 1。在相同压力下,热处理前的 AlSi10Mg 点阵结构材料的应变速率比 500℃/1h 热处理后的应变速率要高,不过在 1.5MPa 压力下,它们俩的压缩应变速率曲线重合度很高。这就说明热处理后的 AlSi10Mg 铝合金点阵结构材料的性能,在更高应变率下的冲击压缩条件里能适应得更好。热处理前后的 AlSi10Mg 点阵结构材料的压缩应力应变曲线的峰值都会随着施加压力增加而变大,原始构件的峰值从 74MPa 涨到了 114MPa。这就意味着在受到冲击载荷的时候,压缩应变率越大,压缩应力就越大,缓冲特性可能也就越好。当应变足够大的时候,热处理前后的 AlSi10Mg 点阵结构材料的应力 - 应变曲线都能分成四个阶段:线弹性变形阶段、弹塑性阶段、软化阶段、还有致密化阶段。曲线在达到峰值后,压缩应力值就快速下降,到最低点的时候就出现软化现象,而且曲线还有很明显的波动,之后才慢慢上升。并且受到的冲击载荷越大,曲线波动就越明显。我们猜构件的失效模式主要是基体开裂和纤维断裂,而且施加压力越大,开裂就越明显。在 0.6MPa 压力下,热处理后的曲线弹性最大压缩应力值是 58MPa,比原始态构件的 74MPa 低,但是随着压缩载荷增大,热处理后的弹性最大压缩应力值 σe 快速上升,还超过了原始构件,在 1.2 和 1.5MPa 下热处理前后的应力应变曲线重合度很高,这就更能说明热处理后的 AlSi10Mg 点阵结构材料可能在高应变率下的压缩实验里更合适。