3D打印+熔模鑄造純鋁金字塔型點陣的力學(xué)行為和吸能特性
近年來,人造多孔金屬材料種類不斷增多,在航空航天、建筑、醫(yī)療衛(wèi)生等諸多領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用,以航空領(lǐng)域為例,很多結(jié)構(gòu)件要求具備特殊力學(xué)性能的同時還要滿足吸收沖擊能量、提供散熱等功能,多孔鋁等材料已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用,如點陣夾芯板結(jié)構(gòu)已經(jīng)作為緩沖吸能部件應(yīng)用于航天飛行器上。
目前,點陣材料的制備方式有激光3D打印、編織和鑄造等方法。其中,激光3D打印結(jié)果對激光打印參數(shù)依賴性較高,易出現(xiàn)打印缺陷,鑄造法工藝成熟、操作簡單。
為了更好闡明彎曲主導(dǎo)性的金字塔型點陣金屬的應(yīng)力應(yīng)變行為及其吸能特征對結(jié)構(gòu)參數(shù)依賴關(guān)系,從而為進一步優(yōu)化設(shè)計使其滿足實際應(yīng)用的需求提供參考,《熔模鑄造點陣Al的力學(xué)行為及吸能特性》一文的研究團隊以工業(yè)純Al為基體,采用3D打印技術(shù)和熔模鑄造相結(jié)合的方法制備出不同長徑比和夾角的金字塔型點陣Al(具體流程見圖1),并對其壓縮行為及吸能特性進行了考察,相較于現(xiàn)在流行的3D打印方式制備多孔金屬,該方法制備的試樣缺陷更少,成本更低,制備方法更簡便。
多孔金屬材料分為開孔材料和閉孔材料兩種類型。
開孔材料孔洞之間具有連通性,同時兼具吸聲、散熱、過濾等功能,具有十分廣闊的應(yīng)用前景。開孔金屬材料中兩個較為重要的分支為泡沫金屬和三維點陣金屬。在受力變形時,前者的變形機制是彎曲主導(dǎo)型,當(dāng)交接點處桿單元個數(shù)是12時,后者的變形機制是拉伸主導(dǎo)性,相較而言,點陣金屬具有更為優(yōu)異的力學(xué)性能,如當(dāng)材料相對密度為10%時,點陣金屬的強度是泡沫金屬的3倍。但是從拉伸主導(dǎo)型點陣金屬的應(yīng)力應(yīng)變曲線以及變形特征可以看出,當(dāng)達到屈服強度時,桿件發(fā)生屈服,而出現(xiàn)軟化現(xiàn)象,該特征不利于其在吸能方面的應(yīng)用。由于彎曲主導(dǎo)性的金字塔型點陣金屬的具有規(guī)則性排列的孔結(jié)構(gòu),并且壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線上也沒出現(xiàn)軟化現(xiàn)象。所以研究彎曲主導(dǎo)性的三維點陣金屬材料具有重要的意義。
圖1 鑄造法制備點陣鋁試驗流程示意
?1 試驗過程
金字塔型點陣單胞是四棱錐頂對頂構(gòu)成,使用CATIA V5R20軟件設(shè)計出三維圖,主要設(shè)計參數(shù)見圖2a和表1。金字塔型點陣材料的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)主要有:桿件長度L、桿件的徑D、桿單元與單胞底面的夾角ω。作為多孔材料中的一種,相對密度是影響點陣材料力學(xué)性能的重要因素,其數(shù)值為ρ0 /ρs,其中,ρ0為制備得到的點陣材料的表觀密度;ρs為純鋁的密度。
以光敏樹脂為原料,采用光固化3D打印技術(shù)制備出點陣模型,然后以該模型為犧牲模,以質(zhì)量分數(shù)為99.7%的工業(yè)純鋁為基體,通過熔模鑄造工藝制備出點陣Al。
該方法主要流程如下:把光敏樹脂點陣材料置于鑄鐵模具中,然后將一定配比的石膏漿料澆入點陣材料的孔隙內(nèi),再經(jīng)過自然干燥、低溫烘干、高溫焙燒等過程,使光敏樹脂材料燒除、石膏固化,得到具有點陣結(jié)構(gòu)型腔的石膏型。最后使用空壓機以一定的壓力將高溫鋁液壓入石膏型,自然降溫后,鋁液凝固后便得到點陣Al胚料,用高壓水槍沖洗石膏型,并用線切割技術(shù)切取X/Y/Z方向單胞個數(shù)分別為7/7/4的壓縮試樣,見圖2c。利用Instron 3369型力學(xué)試驗機進行準靜態(tài)壓縮試驗,壓縮方向是Z軸方向,壓縮速率為2 mm/min。
圖2 金字塔型點陣結(jié)構(gòu)及點陣Al
(a)金字塔型單胞結(jié)構(gòu)參數(shù);
(b)整體結(jié)構(gòu)圖;
(c)點陣Al
?2 結(jié)果與討論
2.1 點陣Al的壓縮應(yīng)力應(yīng)變行為
圖3、圖4是點陣Al的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線??梢钥闯?,與拉伸主導(dǎo)性點陣材料不同的是,應(yīng)力應(yīng)變曲線在線彈性區(qū)過后沒有出現(xiàn)軟化現(xiàn)象,而是與一般彎曲主導(dǎo)性多孔材料相似,具有典型的3個區(qū)域,即線彈性區(qū)、應(yīng)力平臺區(qū)和致密化區(qū)。
在線彈性區(qū),點陣材料桿單元僅發(fā)生彈性變形,應(yīng)力與應(yīng)變成線性關(guān)系,其線性值雖然沒有拉伸主導(dǎo)型點陣材料大,但是具有比開孔泡沫鋁更強的線性關(guān)系,這種現(xiàn)象可能是由于其和開孔泡沫鋁一樣是彎曲主導(dǎo)型多孔材料,但是又具有拉伸主導(dǎo)下點陣材料的規(guī)則性排列的結(jié)構(gòu)。
開孔泡沫鋁的不規(guī)則排列使其在較低的應(yīng)力時,部分單胞就會發(fā)生局部屈曲。在線彈性區(qū)與應(yīng)力平臺區(qū)之間呈圓滑過渡,應(yīng)力平臺區(qū)內(nèi)應(yīng)力隨應(yīng)變增加而穩(wěn)中有升,升高的幅度值會隨著結(jié)構(gòu)參數(shù)而發(fā)生變化。
圖3 夾角為60°時長徑比對試樣壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線的影響
由圖3可見,夾角為60°時,長徑比增大,相對密度減小,平臺區(qū)應(yīng)力上升的幅度值在減小,流動應(yīng)力下降。這種現(xiàn)象是由于相對密度越小,其孔隙率越高,在壓縮的過程中局部桿件不容易發(fā)生提前接觸導(dǎo)致的。對于金字塔型點陣材料,當(dāng)夾角和長徑比相同時,其流動應(yīng)力基本不變。本研究中,長徑比增加是保持桿徑不變,而增大桿長。當(dāng)夾角不變時,長徑比增加就相當(dāng)于桿長不變而使其桿徑變粗,從而使得在相同的應(yīng)變時,試樣能夠承受更大的力,因此長徑比越小流動應(yīng)力也就越大。值得關(guān)注的是,流動應(yīng)力與長徑比并非嚴格的反比例關(guān)系。當(dāng)應(yīng)變?yōu)?/span>0.3時,長徑比由4.1降至3.5,流動應(yīng)力由6.2 MPa上升至15 MPa。另外,流動應(yīng)力值與相對密度也并非線性關(guān)系,當(dāng)相對密度由0.33增加至0.51時,其流動應(yīng)力值由6.2 MPa上升至23.6 MPa。此現(xiàn)象說明長徑比對流動應(yīng)力的影響要大于對相對密度的影響,所以可以在相對密度變化不大的情況,適當(dāng)減小長徑比來獲得更大的流動應(yīng)力值。
圖4 長徑比為3.5時夾角對試樣壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線的影響
由圖4可見,長徑比為3.53時,隨著夾角的增大,點陣Al流動應(yīng)力上升。這是因為在試樣尺寸相同的情況下,夾角越大,單胞個數(shù)會越多,從而導(dǎo)致相對密度增加,所以流動應(yīng)力也就越大。從表1中也可以看出,在長徑比一定,角度在60°~65°之間時,角度在變化幅度不大時,可以使得相對密度發(fā)生較大的變化,從而使得流動應(yīng)力值發(fā)生較大的變化。另外,通過受力分析可以看到,夾角增大時,桿件在豎直方向受到的分力會變大,同時水平方向受到的分力又減小,所以更不容易發(fā)生屈服,從而導(dǎo)致其流動應(yīng)力更大。
2.2 Al基點陣材料的吸能特性
圖5、圖6為點陣Al的單位體積吸能曲線??梢钥闯觯c陣Al的單位體積吸能量隨著應(yīng)變的增加而增加。在線彈性區(qū),點陣Al的吸能量較少;進入平臺區(qū)后,點陣Al的吸能量明顯增加,這是因為在較寬的應(yīng)變范圍內(nèi),應(yīng)力值很大并且變化較?。贿M入致密化區(qū)后,應(yīng)力增加很大,這是因為點陣Al孔洞基本被壓實,盡管其吸能量仍在增加,但是該部分吸能主要靠致密Al基體吸收,并沒有對所需要被保護的物體起到保護作用。
圖5 夾角為60°時長徑比對試樣單位體積吸能曲線的影響
所以,點陣Al有效的單位體積吸能是致密點時的單位體積吸能。角度為60°時,隨著長徑比的增加,點陣Al的能力吸收能力逐漸降低。這是由于應(yīng)變相同時,隨著長徑比的增加,點陣Al的應(yīng)力變小導(dǎo)致的,見圖5。當(dāng)長徑比為3.53時,夾角增大,相對密度增大,流動應(yīng)力值也變大,所以點陣Al的單位體積吸能量增強,見圖6。
圖6 長徑比為3.5時夾角對試樣單位體積吸能曲線的影響
能量吸收效率曲線見圖7和圖8。與單位體積吸能曲線不同是,隨著應(yīng)變的增加,能量吸收效率出現(xiàn)了先上升后下降的變化規(guī)律。在彈性區(qū)和平臺區(qū),隨著應(yīng)變增加,能量吸收效率逐漸增大;能量吸收效率達到最大值時的應(yīng)變是致密點的應(yīng)變。在致密化點附近時,能力吸收效率變化緩慢,并且維持較高的水平。這是因為從平臺區(qū)進去致密化區(qū)也是圓滑的曲線,而沒有非常明顯的致密化點。進入致密化區(qū)后,能量吸收效率開始下降,這是由于應(yīng)力值增加速度要大于相對的能力吸收值導(dǎo)致的。
圖7 夾角為60°時長徑比對試樣能力吸收效率曲線的影響
從圖7可以看出,在應(yīng)變小于0.3時,隨著長徑比的增加,能量吸收效率逐漸增加,但是當(dāng)應(yīng)變大于0.45時,長徑比為3.5時能量吸收效率最高,同時還發(fā)現(xiàn),長徑比為2.9和3.5時,其致密化點的應(yīng)變均為0.51,而長徑比為4.1時,其致密化點的應(yīng)變是0.48。說明夾角不變,應(yīng)力平臺的長度與長徑比不是正比例關(guān)系。不同的是,當(dāng)長徑比不變時,隨著夾角的增大,致密化點的應(yīng)變值變化不大,均在0.51附近,見圖8。致密點時的單位體積吸能量見圖9??梢钥闯?,通過適當(dāng)?shù)脑黾咏嵌然驕p小長徑比可以提高致密點時單位體積的吸能。
圖8 長徑比為3.5時夾角對試樣能力吸收效率曲線的影響
圖9 試樣的單位體積吸能
3 結(jié)論
(1)鑄造金字塔型點陣Al的應(yīng)力應(yīng)變行為與一般的泡沫Al相似,具有明顯的線彈性區(qū)、應(yīng)力平臺區(qū)和致密化區(qū)
(2)點陣Al的流動應(yīng)力值隨著長徑比的減小而增大,但是并非嚴格反比例關(guān)系。當(dāng)長徑比一定時,夾角增加,相對密度增大,點陣Al流動應(yīng)力上升。
(3)在致密化點時,點陣Al的單位體積吸能量隨著長徑比的減小而增強,隨著夾角的增大而增強。