Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Текущее исследование было посвящено изучению влияния толщины стенок и точности изготовления высокопористых ячеистых материалов (ВПЯМ) на основе ячейки гироида, полученных методом электронно-лучевой плавки (ЭЛП), на их механические свойства. Было установлено, что при использованием настроек параметров с толщиной слоя 50 мкм, температурой предварительного нагрева 720 ° C, силой тока 5 мА, скоростью движения пучка 1400 мм/с листовые ВПЯМ на основе гироида с разной толщиной могут быть получены из порошка Ti-6Al-4V с оптимальным качеством и интеграционной целостностью. Помимо этого были получены ВПЯМ на основе гироидов из сплавов Ti-42 Nb и Ti-56Nb при силе тока пучка 4 мА, скорости пучка 700 мм/с, смещение линии 100 мкм, и толщиной слоя 100 мкм. Другие режимы для данных сплавов показали неудовлетворительные результаты. Была нарушена интеграционная целостность образцов: образцы демонстрировали расслоение в результате недостаточного плавления, локальные неоднородности («выгибание») в результате избыточного плавления. Было установлено, что образцы Ti-6Al-4V содержат преимущественно альфа и альфа-штрих фазу, а образцы Ti-42Nb и Ti–56Nb демонстрируют содержание исключительно кубической бетта-фазы Ti. Согласно анализу данных, полученных методом дифракции обратно рассеянных электроно (ДОЭ) Ti–56Nb обладает более выраженной текстурой с ярко выраженной преимущественной ориентацией зерен [001], что указывает на ОЦК-структуру, в то время как сплав Ti–42Nb имеет файбер-текстуру. ВПЯМ на основе гироида с различной толщиной стенки, но одинаковым размером элементарной ячейки, были получены из сплава Ti6Al4V. Исходные 3D-модели имели номинальную толщину стенки 0,2; 0,4; 0,6; 0,8 и 1 мм. Для образца с толщиной стенки 0,4 мм фактическая средняя толщина, измеренная с помощью рентгеновской компьютерной томографии, соответствовала номинальной, в то время как другие образцы продемонстрировали отклонение от исходной толщины из-за точности изготовления и послойной природы процесса. Было установлено, что распределение толщины стенки является неравномерным и зависит от ее ориентации относительно направления построения. Было установлено, что, микропористость ВПЯМ на основе гироидов из Ti-6Al-4V, рассчитанная как объем пустот в металле, варьируется от 0,2 до 0,4 % во всех случаях ниже порога низкого качества 0,5%. Макропористость изготовленных образцов варьировалась от 78% до 57%. Макропористость, рассчитанная по данным рентгеновской компьютерной томографии, идентична пористости, рассчитанной по измерениям массы и объема образцов. У образца с номинальной толщиной 1 мм в материале стенок было обнаружено множество пор. Форма некоторых пустот и наличие в них непроплавленных частиц порошка указывает на то, что параметры процесса не были оптимальными и привели к дефектам типа «непроплав». Микропористость для этих образцов достигала 1%, в то время как для других образцов она не превышала 0,2%. Также для этих образцов были обнаружены значительные отклонения от номинальных размеров исходной 3D-модели (около ±0,5 мм). Удаление остаточного порошка из ВПЯМ при k=1 было успешно происходит успешно, так как образцы с пористостью и шириной каналов от 2 до 3 мм не демонстрируют существенных проблем с очисткой с помощью системы восстановления порошка. Однако химическое травление ВПЯМ на основе гироидов в растворе HF/HNO3 что оказалось более оптимальным вариантом для удаления порошка из узких каналов k=2). Были определены механические свойства листовых гироидов. Эффективные модули упругости на сжатие принимают значения от 1,5 до 3,9 ГПа не превосходят значения для костной ткани, что делает данные ВПЯМ идеальными кандидатами для изготовления ималантатов в будущем. На растяжение эффективные модули упругости варьируются от 1,2 до 1,4 ГПа. Предел прочности при растяжении и сатии изменяется примерно от 80 до 230 МПа при измененеиии портстости от 78 до 57%. При увеличении фактической толщины стенки вдвое квазиупругий градиент и условное напряжение сжатия в испытаниях на сжатие возросли более чем в два раза, тогда как столь значительной разницы в испытаниях на растяжение не наблюдалось. Первый максимум прочности на сжатие увеличился более чем в 2,5 раза при двукратном увеличении фактической толщины стенки как в испытаниях на сжатие, так и на растяжение. Было продемонстрировано, что пористость, определяемая фактической толщиной стенки, оказывает влияние на механические свойства гироидной структуры. Чем больше фактическая толщина стенки и ниже пористость, тем выше прочность, жесткость и способность гироидов поглощать энергию. В соответствии с моделью Эшби-Гибсона, показатели степени для жесткости и условного напряжения составляют m=2,2 и n=1,6 соответственно, что указывает на преобладание изгибного механизма деформации в листовых гироидах. Для изучения испытанных структур и определения зон наибольшей концентрации напряжений в них при заданных условиях нагружения было проведено конечно-элементное моделирование. Значения смоделированного квазиупругого градиента оказались близки к экспериментальным. Было показано, что механизм разрушения одного слоя является доминирующим только для гироида толщиной 0,2 мм, что довольно типично для пористых материалов. Гироиды с другими толщинами продемонстрировали общую картину пластической деформации без падения напряжения. Используя конечно-элементный анализ, можно сделать вывод, что трещины зарождаются на горизонтальных поверхностях (нормальных к направлению построения) толстостенных гироидов, что отчетливо видно на изображениях, отображающих распределение нормальных напряжений. Была обнаружена разница в характере зарождения трещин у образцов ВПЯМ с различной фактической толщиной стенки. В более толстостенных гироидах под влиянием изгибающего момента (кручения) появляются множественные трещины, что не происходит с тонкостенными гироидами, имеющими более гибкие стенки. Можно заключить, что механизм деформации зависит, среди прочего, от соотношения толщины стенки к размеру элементарной ячейки. Поведение ВПЯМ на основе гироида, при нагрузке на сжатие и растяжение похоже на поведение набора пружин с одинаковой жёсткостью. Во ВПЯМ на основе гироида деформация, вызванная сдвигом не сосредоточена в одной плоскости, а распределена во всём объёме благодаря особенности топологии такой структуры. При увеличении нагрузки, напряжённое состояние передаётся слоям, параллельным плоскости сдвига. Отсюда следует, что сообщающиеся элементы гироидной структуры, лежащие в плоскости сдвига, первыми реагируют на деформацию, которая для них является не сдвиговой, а сжимающей. При кручении максимальные касательные напряжения возникают в периферийных областях или в точках контура поперечного сечения.