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选区激光熔化304不锈钢点阵结构力学性能与损伤行为研究

摘要

金属点阵结构因其优异的力学性能和多功能的特性而受到广泛关注，特别是在航

空航天、交通运输以及医疗植入物等领域，它们在结构轻量化、缓冲吸能、热交换以

及骨整合等方面受到广泛应用。对于结构复杂或者几何尺寸较小的点阵结构，利用传

统工艺进行制造会出现生产效率低下、材料利用率低以及制造精度不足等限制。选区

激光熔化（SelectiveLaserMelting，SLM）作为一种激光增材制造技术，能够实现复杂

结构件的快速近净成形，能够高效率地制备结构较为复杂的金属点阵结构，为点阵结

构的发展与应用开辟了新的方向。选区激光熔化制备的金属点阵结构的力学性能受多

种因素的影响，如制造工艺和几何结构等。因此，本文以304不锈钢点阵结构作为研究

对象，研究选区激光熔化工艺参数对304不锈钢块体材料组织及性能的影响，研究工艺

参数及结构类型对点阵结构成形及性能的影响，分析内部缺陷影响下的点阵结构压缩

损伤行为，研究结果表明：

在选区激光熔化过程中，304不锈钢块体材料在各个工艺参数下都出现了柱状亚结

构和胞状亚结构。随着激光功率由150W增加到250W，由于热辐射范围增大，熔池

变宽，内部缺陷减少，显微硬度有略微提升，抗拉强度有所增强。随着扫描速度由

1000mm/s增加到2000mm/s，能量密度减小，内部缺陷增多，熔池变窄，且出现未熔

合缺陷，显微硬度略微降低，抗拉强度降低。采用不同工艺参数制备了304不锈钢体心

立方（Body-CenteredCubic，BCC）点阵结构，并在相同工艺参数下制备了不同几何结

构的304不锈钢点阵结构。在对选区激光熔化304不锈钢块体材料工艺参数研究的基础

上开展对BCC点阵结构的工艺研究。BCC点阵结构的支柱直径随着激光功率的增加而

增大，随着扫描速度的增加而减小，内部缺陷随着激光功率的增加而减少，随着扫描

速度的增加而增多，使得点阵结构的压缩强度随着激光功率的增加而增大，随着扫描

速度的增加而减小。BCC点阵结构吸收能量则随着激光功率的增大而先增大后降低，

随着扫描速度的增加而降低。在对BCC和两种三周期极小曲面（TriplyPeriodic

MinimalSurface，TPMS）结构（Gyroid和IWP点阵结构）的对比中发现，Gyroid点阵

结构抗压强度最高，吸收能量最多，IWP点阵结构抗压强度最低，吸收能量最少。对

比不同结构的均匀密度点阵结构和其相对应的梯度密度点阵结构时发现，梯度密度点

阵结构相比于均匀密度点阵结构均能够吸收更多的能量。

针对激光功率200W、扫描速度1000mm/s制备的304不锈钢拉伸试样的内部孔洞

哈尔滨工程大学专业学位硕士学位论文

缺陷进行了分析，大部分孔洞缺陷为尺寸较小球形度较高的气孔，小部分为尺寸较大

形状不规则的未熔合缺陷。使用响应曲面法-中心复合设计-遗传算法对不锈钢拉伸试样

的Gurson-Tvergaard-Needleman（GTN）损伤参数进行校核，并分析了各个参数对材料

损伤的影响，校核后的损伤模型和拉伸试验结果有着较好的一致性。使用校核后的

GTN损伤模型对激光功率200W、扫描速度1000mm/s制备的304不锈钢BCC点阵结

构的损伤行为进行了研究，相比于不考虑点阵结构内部缺陷的模型，校核后的模型在

有限元分析中和点阵结构的压缩试验结果有着较好的一致性。

关键词：选区激光熔化；304不锈钢；点阵结构；GTN模型；有限元分析

选区激光熔化304不锈钢点阵结构力学性能与损伤行为研究

Abstract

Metalliclatticestructureshaveattractedwideattentionduetotheirexcellentmechanical

propertiesandmulti-functionalcharacteristics,especiallyinthefieldsofaer