通过多尺度强化技术实现高承载能力的金属晶格

《International Journal of Mechanical Sciences》：Metallic Lattices with High Load-Bearing Capacity via Multiscale Strengthening

多尺度设计策略通过拓扑优化与高熵合金微观结构强化提升轻质金属 lattice的强度与稳定性，激光粉末床熔融制备的简单立方 lattice在压缩强度（370 MPa）、特定强度（128 MPa·cm3/g）和能量吸收（46.6 kJ/kg）方面表现优异，纳米析出物与位错协同阻碍变形。

　　

万世光|马攀|徐卓|孙秦虎|杨洪|谢开强|李翔|穆永坤|陈思远|康达·戈库尔多斯·普拉尚特|贾彦东|贾月飞|王刚

上海大学先进核能材料国家重点实验室，中国上海200444

摘要

金属晶格结构以其低密度和高比强度而著称，在航空航天和汽车工程等承重应用中具有巨大的应用潜力。然而，在高应力作用下，大多数晶格结构会发生局部剪切失效，导致过早失效。为了克服这一限制，开发了一种新的多尺度设计策略，将晶格拓扑优化与高熵合金的微观结构强化相结合，以同时提高承载能力和变形稳定性，同时保持轻量化特性。该方法包括：（i）选择机械效率高的桁架结构；（ii）采用激光粉末床熔融技术生成具有高密度位错细胞的细晶微观结构；（iii）引入后时效处理以促进纳米尺度沉淀物的形成，从而进一步强化材料。经过时效处理的简单立方（SC）晶格达到了370 MPa的抗压强度，比强度超过128 MPa·cm3/g，比能量吸收率为46.6 kJ/kg，优于大多数在相似相对密度下报道的金属晶格系统。有限元分析证实，沉淀强化后的SC晶格有效抑制了柱状结构的过早屈曲。定量分析显示，强度增益的约37%来自晶粒细化和位错强化，约51%来自纳米尺度沉淀物，其余来自晶格摩擦应力。高密度沉淀物和位错细胞结构协同作用，阻碍了位错运动，促进了位错缠结和网络形成，并在塑性变形过程中增强了加工硬化，从而延缓了失效。结构优化与沉淀强化的协同作用建立了一种跨尺度强化机制，减轻了不稳定性并延迟了失效，为设计高强度、耐损伤的晶格结构提供了一个通用框架。

引言

金属晶格材料通过结构设计和微观结构调控，结合了高承载性能和轻量化特性，成为现代工业中寻求节能、减排、提高效率和减少碳足迹的关键材料[[1], [2], [3]]。这在汽车工程、航空航天和生物医学等先进领域尤为明显，它们显著降低了能耗，提高了承载效率，并确保了结构系统的安全性和可靠性[4,5]。

金属晶格材料的设计和制造对其性能至关重要。近年来，增材制造的进步使得能够控制设计和制造具有复杂三维结构的金属晶格材料[6]。在各种增材技术中，激光粉末床熔融（LPBF）因其独特的优势（如快速热循环、高构建效率和优异的尺寸精度）而被广泛采用[7]。例如，LPBF制造的316L不锈钢晶格结构具有高密度位错细胞结构和几何必需位错（GNDs）[8]。在压缩过程中，位错细胞壁与变形孪晶之间的协同作用产生了新的位错，进一步增强了晶格结构的机械性能。类似地，TC4合金晶格的热处理诱导的微观结构演变导致面心立方（FCC）和体心立方（BCC）型晶格的断裂模式发生显著变化[9]。此外，CoCrNi中熵合金（MEAs）晶格结构在冲击载荷下可以形成变形孪晶，从而增强其能量耗散能力[10]。这些发现表明，微观结构演变强烈影响了基于晶格的材料的机械行为。

目前，金属晶格材料的承载能力仍然有限，因为塑性不足的材料在相对较小的应变下容易发生脆性断裂[[11], [12], [13]]。例如，由Ti-6Al-4V[14]和Al-Si-10Mg[15]合金制造的晶格结构具有高强度和低密度；然而，它们的塑性有限，使得它们在小的变形下容易失效。相比之下，316L不锈钢[16,17]和CuCrZr[18]等金属提供了具有优异延展性和能量吸收能力的晶格；然而，它们的强度不足，限制了其承载性能[19]。

为了解决这些挑战，研究人员提出了先进的结构策略，包括基于机器学习的新型多孔结构设计[20]、具有优异承载能力的仿生夹层结构[21]以及能够显著提高强度和刚度的空心支柱设计[22]。例如，优化的空心支柱晶格的强度比实心结构高出99.6%，模量高出60%[23]，表明节点增强是一种有效的强化策略。刘等人报告称，他们的ECIL-1.5配置达到了1.79 MPa的稳定应力 và 59.1%的压碎力效率——分别比基线FCC带z型支柱（FCCZ）提高了59.8%和15.2%[24]。张等人结合节点优化和仿生设计开发了兼具高隔热性和高强度的晶格超材料[25]。然而，由于基础材料的固有限制，这些宏观结构策略的有效性仍然受到限制，难以充分发挥金属晶格材料的潜力。

高熵合金（HEAs）因其出色的机械性能组合而受到广泛关注[26,27]，包括卓越的强度-延展性协同效应、显著的加工硬化（WH）能力和优异的损伤容忍度。这些性能源于晶格畸变[28]、低堆垛错能（SFE）[29]和化学短程有序[30]之间的相互作用。利用这些特性进行微观结构调控，可以制造出高强度和延展性的金属晶格结构[31,32]。例如，孙等人通过LPBF制造了一种AlCoCrFeNi_2.1共晶HEA的空心砖墙晶格结构；该结构表现出241.2 ±4.2 MPa的抗压强度，这归因于细晶强化、位错强化以及FCC和BCC/B2异质相之间的协同作用[33]。杜等人使用CoCrFeMnNi HEA制造了一种高性能的十面体内部钻石晶格结构，实现了38.49 MPa·cm3/g的比强度和50.97 J/g的比能量吸收率[34]。近年来，FCC（FeCoNi）₈₆Al₇Ti₇ HEAs因其可调的纳米尺度微观结构而成为研究热点[[35], [36], [37], [38]]。通过向FeCoNi基体中添加适量的Al和Ti，可以增强这些合金的机械性能，促进相干纳米尺度沉淀物的形成[39,40]。将这些材料应用于轻量化晶格结构的制造，为实现高比强度、高刚度和优异的能量吸收能力提供了巨大潜力。

在本研究中，通过LPBF制造了三种类型的（FeCoNi）₈₆Al₇Ti₇ HEA桁架晶格结构——即简单立方（SC）晶格、BCC晶格和带z型支柱的体心立方（BCCZ）晶格。通过将LPBF处理与后续时效处理相结合，实现了一种跨尺度设计策略，将纳米尺度沉淀强化与毫米尺度晶格结构联系起来。首先检查了制造质量和多尺度微观结构特征，以建立加工-结构关系（3.1 制造质量和精度，3.2 微观结构）。随后，通过单轴压缩测试和有限元模拟评估了机械性能，结果表明SC晶格具有最高的承载能力和结构稳定性（第3.3节）。微观结构研究表明，L1₂纳米沉淀物阻碍了位错滑移，促进了位错缠结，并在高应力下保持了持久的加工硬化效应（第4.1节）。基于这些观察结果，详细分析了强化机制和加工硬化行为（第4.2节）。最后，讨论了这些发现对HEAs在轻量化结构设计和高性能、可靠晶格材料开发中的应用意义（第4.3节）。

材料与方法

本节详细介绍了三种晶格桁架结构的设计参数、制造过程和后处理方法，并展示了HEA晶格材料的完整表征程序。2.4 机械测试和2.5 数值模拟描述了准静态压缩测试方法及相关参数的计算，以及有限元模型中关键参数的校准。

结果

本节首先介绍了制造出的晶格样品的形态特征及其相关的缺陷行为（第3.1节）。第3.2节分析了时效处理前后的相组成，强调了从熔池到沉淀的微观结构演变。第3.3节基于实验和FE模拟报告了三种晶格结构的压缩机械性能和变形模式，重点比较了具体

讨论

本研究考察了三种晶格结构——即SC、BCC和BCCZ晶格，每种结构都表现出不同的结构和机械响应。BCC和BCCZ晶格表现出相对更柔顺的变形行为，而SC晶格则表现出更优异的压缩性能和更具代表性的机械特性。鉴于其最佳性能，SC晶格被选为我们详细讨论的重点。

第4.1节进行了研究

结论

总之，本研究通过将简单立方（SC）拓扑与分层HEA微观结构工程相结合，建立了一种多尺度设计范式。SC结构的固有优势在于其以拉伸为主的机械响应，其中支柱的轴向排列最大化了载荷路径效率。通过有效抑制传统晶格中常见的过早弯曲引起的分叉，SC配置实现了稳定的、渐进的致密化

CRediT作者贡献声明

万世光：撰写——原始草稿、方法论、形式分析、数据管理、概念化。马攀：撰写——审阅与编辑、监督、资源管理、项目管理。徐卓：方法论、研究。孙秦虎：软件、资源管理。杨洪：资源管理、方法论。谢开强：软件、资源管理。李翔：可视化、监督。穆永坤：监督、软件管理。陈思远：监督、资源管理、方法论。康达·戈库尔多斯·普拉尚特：监督，