多孔钛的疲劳性能改善：拓扑优化设计及选区激光熔化成形

供稿人:高云鹏、鲁中良
供稿单位：机械制造系统工程国家重点实验室　

中国科学院沈阳金属所的研究团队通过选区激光熔化（selective laser melting，SLM）成形技术制造了具有拓扑优化结构的多孔CP-Ti（纯钛），其具有极为优异的疲劳性能，在106次循环时具有约0.65的归一化疲劳寿命。

他们认为，SLM成形的多孔CP-Ti具有优异疲劳性能的原因主要有三个：

首先，经过拓扑优化设计的多孔CP-Ti结构能够能够使应力均匀分布，降低应力集中。他们将具有拓扑优化结构的多孔CP-Ti与菱形十二面体结构进行了比较，如图1。在1%的应变下，拓扑优化结构的最大拉伸应力约是菱形十二面体结构的1/2，并沿水平撑杆分布，应力集中相对降低；

图1 1％应变下拓扑优化结构与菱形十二面体结构中的应力分布

其次，经过疲劳试验后，具有拓扑优化结构的多孔CP-Ti中出现了孪晶和位错（图1(b)和(c)）。孪晶的产生使多孔CP-Ti表现出更高的应变硬化及塑性。应变硬化降低了每个循环周期的塑性应变增量，较高的塑性则能够使多孔CP-Ti积累更多的塑性应变，推迟疲劳裂纹的萌生；

图2具有拓扑优化结构的多孔CP-Ti的TEM图像。（a）TEM明场图像；（b）孪晶薄片的明场图像；（c）相应孪晶区域的电子衍射图；（d）孪晶界面的原子尺度图像

最后，拓扑优化设计的多孔CP-Ti样品中的疲劳裂纹扩展路径是以锯齿形而非直线传播（如图3）。疲劳裂纹发生偏转和分叉，降低了裂纹的传播速度，导致疲劳裂纹扩展率低，从而延长了疲劳寿命。

参考文献：
Liu Y J, Ren D C, Li S J, et al. Enhanced fatigue characteristics of a topology-optimized porous titanium structure produced by selective laser melting[J]. Additive Manufacturing, 2020: 101060.