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多区域变参数功能梯度结构拓扑优化方法
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作者 李智忠 刘龙 +3 位作者 王天赐 彭翔 王柏村 易兵 《计算机集成制造系统》 EI CSCD 北大核心 2024年第6期1948-1958,共11页
为了在构件中构造形态多变和性能各异的功能梯度结构,提出一种多区域变参数的功能梯度结构拓扑优化方法,在保证构建结构单元连续性的同时,构建了多区域变参数的功能梯度结构。将设计域划分为多个区域,采用Helmholtz PDE方程对每个区域... 为了在构件中构造形态多变和性能各异的功能梯度结构,提出一种多区域变参数的功能梯度结构拓扑优化方法,在保证构建结构单元连续性的同时,构建了多区域变参数的功能梯度结构。将设计域划分为多个区域,采用Helmholtz PDE方程对每个区域的密度变量进行过滤处理,然后施加不同的局部体积约束;将局部约束整合到传统变密度拓扑优化方法中,达到了不同区域生成不同功能梯度微结构的效果,同时区域之间的结构保持了良好的连续性。最后,通过悬臂梁和简支梁多区域功能梯度结构拓扑优化设计和制造,验证了所提方法的有效性。 展开更多
关键词 拓扑优化 功能梯度结构 多区域 变参数
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静水压力对粘弹性功能梯度结构力学性能的影响研究 被引量:2
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作者 李华东 朱锡 +1 位作者 梅志远 张颖军 《功能材料》 EI CAS CSCD 北大核心 2010年第A03期445-448,451,共5页
研究了静水压力对粘弹性功能梯度材料与结构的力学性能的影响。基于粘弹性材料Boltzman-na积分型本构关系式,推导了静水压力作用下粘弹性功能梯度材料的本构关系,并假设其蠕变模量在结构厚度方向上连续变化,组分材料的体积分数呈幂律分... 研究了静水压力对粘弹性功能梯度材料与结构的力学性能的影响。基于粘弹性材料Boltzman-na积分型本构关系式,推导了静水压力作用下粘弹性功能梯度材料的本构关系,并假设其蠕变模量在结构厚度方向上连续变化,组分材料的体积分数呈幂律分布;在此基础上,研究了静水压力引起的粘弹性功能梯度结构横截面材料属性分布、厚度、刚度及功能梯度结构弯曲、屈曲和振动特性的变化,给出了恒定静水压力作用下,不同体积分数指数的粘弹性功能梯度结构厚度与刚度随时间变化的曲线。计算结果表明,在静水压力作用下,粘弹性功能梯度结构的厚度和刚度都发生了变化,并最终导致其弯曲、屈曲和振动性能都发生了较大的变化。 展开更多
关键词 功能梯度材料 功能梯度结构 静水压力 粘弹性 蠕变
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航空航天轻量化点阵结构共形梯度设计
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作者 曹倩峰 杨思远 戴宁 《航空制造技术》 北大核心 2025年第12期60-67,共8页
航空航天装备正向着高机动、高航程和高承载的方向发展,对结构的轻量化设计提出了更高要求。点阵结构作为新型的低密度轻质结构,具有高比强度和高比刚度等优异的力学性能,在轻量化设计领域具有广阔的应用前景。但传统阵列法生成的点阵... 航空航天装备正向着高机动、高航程和高承载的方向发展,对结构的轻量化设计提出了更高要求。点阵结构作为新型的低密度轻质结构,具有高比强度和高比刚度等优异的力学性能,在轻量化设计领域具有广阔的应用前景。但传统阵列法生成的点阵结构在进行复杂外形结构建模时,难以避免裁剪操作造成的点阵完整性破坏和应力集中等问题。本文利用隐式建模技术对点阵结构进行统一数学表征,提出了点阵共形设计方法,并结合尺寸优化技术实现了功能梯度共形点阵的设计。整流罩和蒙皮的设计试验表明,对共形点阵进行梯度设计可改善结构刚度,优化后的整流罩和蒙皮刚度分别提高了23.0%和60.5%,验证了所提方法在飞行器结构轻量化中的潜在应用。 展开更多
关键词 点阵结构 共形设计 功能梯度结构 隐式建模 轻量化设计
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功能梯度材料吸能盒结构设计及优化 被引量:2
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作者 张庆永 王宇超 王辉 《机械强度》 CAS CSCD 北大核心 2024年第2期371-380,共10页
传统的吸能盒结构,碰撞过程无法实现稳定有序折叠溃缩,同时存在单位质量吸能效果差的缺点,限制了汽车安全性能的提高。引入一种功能梯度材料(Functionally Graded Material,FGM)结构吸能盒,即在传统316L不锈钢基体上添加铝合金成分形成... 传统的吸能盒结构,碰撞过程无法实现稳定有序折叠溃缩,同时存在单位质量吸能效果差的缺点,限制了汽车安全性能的提高。引入一种功能梯度材料(Functionally Graded Material,FGM)结构吸能盒,即在传统316L不锈钢基体上添加铝合金成分形成梯度材料结构,同时仿照竹节虫胫骨截面结构对其横截面形状进行优化,并基于优化拉丁超立方体试验设计和响应面模型对竹节虫胫骨横截面的具体结构进行多目标优化。仿真结果表明,优化后的仿生功能梯度材料吸能盒能够实现稳定的从头部至尾部的折叠溃缩。和传统吸能盒相比,仿生结构功能梯度吸能盒单位质量吸能效果提升,能够有效削弱碰撞对车身的损伤。 展开更多
关键词 吸能盒 功能梯度结构 仿生截面 结构设计 多目标优化
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功能梯度三周期极小曲面静动态力学特性 被引量:2
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作者 程乾 尹剑飞 +1 位作者 温激鸿 郁殿龙 《力学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第9期2646-2658,共13页
功能梯度设计能够有效提高结构的力学特性及吸能性能.为探讨功能梯度极小曲面结构在静动态载荷下的力学响应以及梯度壁厚分布方式对其力学特性的影响规律,构建了包含线性梯度和多种非线性梯度(对数梯度、Sigmoid梯度以及指数梯度)Gyroi... 功能梯度设计能够有效提高结构的力学特性及吸能性能.为探讨功能梯度极小曲面结构在静动态载荷下的力学响应以及梯度壁厚分布方式对其力学特性的影响规律,构建了包含线性梯度和多种非线性梯度(对数梯度、Sigmoid梯度以及指数梯度)Gyroid结构,通过3D打印光敏树脂制备样件开展了准静态压缩试验,采用LS-DYNA构建仿真模型并与试验结果对比,验证了仿真方法的有效性.研究发现,功能梯度壁厚分布方式显著影响结构力学性能及变形模式.在准静态压缩下,功能梯度结构呈现逐层压溃的变形模式,在接触端产生局部的致密化带,这一模式导致梯度结构吸能特性有一定提升.基于准静态测试数据以及试验变形模式分析,构建了Gibson-Ashby模型,揭示了均质结构弹性模量和屈服强度随等效密度的变化规律;利用该Gibson-Ashby模型,预测了功能梯度结构屈服强度,并构建等应力模型预测了梯度结构的弹性模量,预测结果与实验值具有良好的一致性.对于其动态力学性能,构建了4种冲击速度仿真模型,深入探讨不同冲击速度对梯度结构力学性能的影响规律.功能梯度结构在高速冲击下,由于其壁厚逐层递增的特性,其局部压溃现象更为明显,导致其在高速冲击下的致密化应变显著增大,其吸能特性也有所提升.其中,对数梯度结构具有最高的屈服强度,而Sigmoid梯度结构具有最高的平均平台应力和吸能特性,其比吸能特性为13.01 J/g,相较于相对密度为45%的均质结构而言提升了45%.此外,基于刚性-完美塑性-锁定模型对梯度结构的动态平台应力进行拟合预测,拟合结果与仿真结果吻合度较高,为预测功能梯度结构的动态力学响应提供了计算方法. 展开更多
关键词 三周期极小曲面结构 功能梯度结构 动态冲击 力学性能 吸能特性
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温度场下功能梯度圆锥壳-环板振动特性分析 被引量:3
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作者 左朋 石先杰 《哈尔滨工程大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第4期709-716,共8页
针对功能梯度圆锥壳-环板组合结构振动问题,本文采用一阶剪切变形理论和Rayleigh-Ritz法分析了温度场下组合结构的振动特性。组合结构位移变量采用谱几何法来表征,考虑材料参数与温度相关并引入人工边界弹簧建立了组合结构振动特性分析... 针对功能梯度圆锥壳-环板组合结构振动问题,本文采用一阶剪切变形理论和Rayleigh-Ritz法分析了温度场下组合结构的振动特性。组合结构位移变量采用谱几何法来表征,考虑材料参数与温度相关并引入人工边界弹簧建立了组合结构振动特性分析模型。数值算例中,通过将文中求解结果与文献解和有限元法结果进行对比验证了模型的正确性,进而分析尺寸、材料、温度和连接位置等参数对结构振动特性的影响。研究结果表明:组合结构基频随厚度增加而增加,随着幂律指数、半顶角和温度场参数增加而降低,随环板内径和连接位置变化会呈现非单一变化趋势。 展开更多
关键词 谱几何法 温度场 功能梯度结构 圆锥壳-环板组合结构 自由振动 一阶剪切变形理论 边界弹簧 结构基频
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热障涂层陶瓷层结构研究现状及发展趋势
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作者 张佩凯 杨会凯 +2 位作者 张冲 孙金钊 殷凤仕 《表面技术》 北大核心 2025年第5期44-60,共17页
热障涂层(TBC)在先进航空航天发动机的热防护方面发挥着至关重要的作用。新一代航空发动机对温度有着更高的要求,这对当前的热障涂层系统的热防护性能和寿命提出了新的挑战。传统的氧化钇稳定氧化锆(YSZ)热障涂层因其自身的局限性,已经... 热障涂层(TBC)在先进航空航天发动机的热防护方面发挥着至关重要的作用。新一代航空发动机对温度有着更高的要求,这对当前的热障涂层系统的热防护性能和寿命提出了新的挑战。传统的氧化钇稳定氧化锆(YSZ)热障涂层因其自身的局限性,已经无法满足新一代航空发动机的需要。目前,针对热障涂层的研究主要集中于设计新的TBC架构,在各种不同的设计中,层片状结构、双峰结构、柱状结构、双陶瓷层结构和功能梯度结构已经被证实能够有效提升热障涂层的高温性能和使用寿命。以上述几种不同结构的TBC为切入点,对目前研究较为成熟的几种新型TBC架构进行评价。首先,系统介绍了几种陶瓷层结构的微观组织和制备方法;分析了不同陶瓷层结构的优缺点和适用性。进一步揭示了传统热障涂层的失效机理和局限性;详细分析了不同陶瓷层结构对涂层抗烧结性能和抗热震性能的影响。最后对不同的涂层结构提出了性能改进策略,并针对不同的涂层制备工艺及结构优化方向进行了展望,以期提高热障涂层的性能,满足航空发动机、燃气轮机等高精尖领域未来的使用需求。 展开更多
关键词 热障涂层 陶瓷层结构 双峰结构 双陶瓷结构 功能梯度结构
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梯度功能混凝土复合防护结构抗侵彻性能试验研究 被引量:3
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作者 韩卫卫 宋素亚 +1 位作者 陈友治 李新平 《硅酸盐通报》 CAS 北大核心 2020年第2期367-375,共9页
为改善和提升混凝土结构的防护性能,以多层复合防护结构中应力波的传播特性为理论依据并结合梯度功能结构材料基本原理,采用梯度分层化设计方法及多相分层成型法制备技术,设计并制备了一种梯度功能复合防护结构(FGCS)。通过对不同弹体... 为改善和提升混凝土结构的防护性能,以多层复合防护结构中应力波的传播特性为理论依据并结合梯度功能结构材料基本原理,采用梯度分层化设计方法及多相分层成型法制备技术,设计并制备了一种梯度功能复合防护结构(FGCS)。通过对不同弹体侵彻速度下FGCS组靶体和双叠层结构组靶体抗侵彻性能的试验研究,指出弹体成坑面积、成坑深度及侵彻深度与弹体速度间均存在线性的变换关系。同时,相对双叠层结构组靶体,FGCS组靶体表现出优异的抗侵彻性能,且随着弹体侵彻速度的增加,其抗侵彻性能会变得更突出。当弹体速度为950 m/s时,相对双叠层结构组靶体,FGCS组靶体的侵彻深度减少了25.6%。 展开更多
关键词 梯度功能结构材料 抗侵彻性能 侵彻深度
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功能梯度磁电弹耦合结构中的间隙波
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作者 赵星 刘赛 刘金喜 《力学学报》 EI CSCD 北大核心 2014年第3期382-388,共7页
研究了由均匀磁电弹半空间和功能梯度磁电弹层组成的耦合结构中间隙波的传播特性.假定功能梯度层的材料性能沿厚度方向呈指数变化,且其表面机械自由,但承受两种电磁边界条件.首先推导了频散方程,然后结合数值算例分析了功能梯度层材料... 研究了由均匀磁电弹半空间和功能梯度磁电弹层组成的耦合结构中间隙波的传播特性.假定功能梯度层的材料性能沿厚度方向呈指数变化,且其表面机械自由,但承受两种电磁边界条件.首先推导了频散方程,然后结合数值算例分析了功能梯度层材料性能的梯度变化、厚度及电磁边界条件对相速度的影响,结果对功能梯度磁电弹材料在声波器件中的应用具有参考价值. 展开更多
关键词 功能梯度层状结构 磁电弹材料 间隙波 频散特性 相速度
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承载散热一体化的功能梯度多孔结构拓扑优化设计 被引量:8
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作者 杜义贤 张跃 +3 位作者 付君健 田启华 周祥曼 王林军 《计算机辅助设计与图形学学报》 EI CSCD 北大核心 2021年第7期1141-1150,共10页
针对多功能结构承载散热一体化需求,提出面向功能梯度多孔结构的拓扑优化设计方法.首先基于三周期极小曲面实现C0连续梯度多孔结构建模;然后引入数值均匀化法计算多孔结构宏观等效弹性张量和宏观等效热传导张量;最后以多孔结构体积分数... 针对多功能结构承载散热一体化需求,提出面向功能梯度多孔结构的拓扑优化设计方法.首先基于三周期极小曲面实现C0连续梯度多孔结构建模;然后引入数值均匀化法计算多孔结构宏观等效弹性张量和宏观等效热传导张量;最后以多孔结构体积分数为设计变量,建立散热弱度和结构柔度最小化加权多目标拓扑优化模型,采用优化准则法求解.数值算例结果表明,相比于单目标拓扑优化设计,该方法通过牺牲较低的散热性能换取较大的承载性能提升,显著地提高了多孔结构的综合性能. 展开更多
关键词 拓扑优化 极小曲面 功能梯度多孔结构 数值均匀化法 承载散热一体化
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石墨烯增强功能梯度梁自由振动的解析解 被引量:2
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作者 张靖华 司成龙 马浩 《兰州理工大学学报》 CAS 北大核心 2023年第2期49-55,共7页
基于Euler-Bernoulli梁理论,研究了石墨烯片增强功能梯度复合材料梁的自由振动特性.研究中考虑石墨烯片方向随机且均匀地散布在每层基体中,其含量沿厚度按照3种不同方式梯度变化.首先根据Halpin-Tsai力学模型和混合率法则得到该复合材... 基于Euler-Bernoulli梁理论,研究了石墨烯片增强功能梯度复合材料梁的自由振动特性.研究中考虑石墨烯片方向随机且均匀地散布在每层基体中,其含量沿厚度按照3种不同方式梯度变化.首先根据Halpin-Tsai力学模型和混合率法则得到该复合材料的等效物性参数,然后由Hamilton原理推导出石墨烯增强功能梯度梁的动力学控制微分方程,对其自由振动方程进行精确解析求解获得固有频率和模态的解析表达式,同时给出该复合材料梁的固有频率与相同边界条件均匀梁的固有频率之间的解析表达式,并且通过参数研究分析了石墨烯片的质量分数、几何形状和分布模式等对梁自由振动固有频率的影响. 展开更多
关键词 自由振动 功能梯度结构 石墨烯增强
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功能梯度开孔平行四边形板的等几何振动分析 被引量:3
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作者 钟锐 胡双卫 +1 位作者 秦斌 王青山 《哈尔滨工程大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2022年第7期999-1005,共7页
针对功能梯度开孔平行四边形板的自由振动问题,本文基于一阶剪切变形层合理论,利用等几何法研究开矩形孔的功能梯度平行四边形板的振动特性。结构位移变量采用具备高阶连续性的非均匀有理B样条函数表征,并引入边界弹簧和坐标映射技术建... 针对功能梯度开孔平行四边形板的自由振动问题,本文基于一阶剪切变形层合理论,利用等几何法研究开矩形孔的功能梯度平行四边形板的振动特性。结构位移变量采用具备高阶连续性的非均匀有理B样条函数表征,并引入边界弹簧和坐标映射技术建立一般边界下功能梯度开孔板的自由振动模型。数值算例中,通过等几何法结果与有限元结果间的对比验证等几何法模型的正确性,进而分析梯度指数、边界约束、几何角度等对开孔板振动特性的影响。结果表明:板的频率参数随铝基成分增加而减小,边界刚度增大会使结构频率增大,角度对结构频率的影响与模态阶次、边界条件相关联。 展开更多
关键词 功能梯度结构 平行四边形板 矩形孔 等几何法 自由振动 非均匀有理样条 边界弹簧 坐标映射
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基于3D打印多孔支架和植入体的结构设计研究进展 被引量:13
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作者 赵春伶 贾少薇 +2 位作者 李剑 张睿 宫赫 《医用生物力学》 EI CAS CSCD 北大核心 2019年第4期446-452,共7页
支架或植入体的弹性模量过高会产生应力遮挡效应,引发骨吸收以及后期支架或植入体松动等问题。多孔支架和植入体可以根据需要调整其孔隙率和弹性模量,从而减小应力遮挡,同时多孔结构有利于骨组织的长入,利于骨整合。分别介绍3D打印多孔... 支架或植入体的弹性模量过高会产生应力遮挡效应,引发骨吸收以及后期支架或植入体松动等问题。多孔支架和植入体可以根据需要调整其孔隙率和弹性模量,从而减小应力遮挡,同时多孔结构有利于骨组织的长入,利于骨整合。分别介绍3D打印多孔支架和植入体3种基本结构(均匀多孔结构、类骨小梁结构和功能梯度结构)的设计方法,以及基于计算机辅助设计、隐式曲面、图像、拓扑优化的设计方法,为解决应力遮挡问题和设计3D打印多孔支架和植入体提供参考建议。 展开更多
关键词 多孔支架 应力遮挡 功能梯度结构 3D打印 植入体
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骨支架多孔结构建模综述 被引量:6
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作者 陈华伟 伍权 《现代制造工程》 CSCD 北大核心 2019年第6期147-153,共7页
3D打印技术的快速发展为复杂多孔骨支架的加工成型开创了条件,也使得组织工程支架研究工作重心从制造转向原型设计和高端个性定制。针对仿生骨支架复杂结构建模问题,重点介绍了造孔单元和功能梯度结构设计的研究现状,总结了现阶段仿生... 3D打印技术的快速发展为复杂多孔骨支架的加工成型开创了条件,也使得组织工程支架研究工作重心从制造转向原型设计和高端个性定制。针对仿生骨支架复杂结构建模问题,重点介绍了造孔单元和功能梯度结构设计的研究现状,总结了现阶段仿生骨支架数字化设计中存在的问题,并展望了未来可能的研究方向。 展开更多
关键词 数字化设计 仿生骨支架 3D打印 造孔单元 三周期最小化曲面 功能梯度结构
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电场驱动喷射沉积微纳3D打印技术及应用 被引量:10
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作者 兰红波 赵佳伟 +2 位作者 钱垒 许权 周贺飞 《航空制造技术》 2019年第1期38-45,共8页
微纳尺度3D打印是增材制造的前沿和研究热点,在航空航天、组织工程、生物医疗、微纳机电系统、新材料(超材料、轻量化材料、智能材料、复合材料)、新能源、柔性电子、印刷电子、结构电子、微纳光学器件、微流控器件、可穿戴电子产品、... 微纳尺度3D打印是增材制造的前沿和研究热点,在航空航天、组织工程、生物医疗、微纳机电系统、新材料(超材料、轻量化材料、智能材料、复合材料)、新能源、柔性电子、印刷电子、结构电子、微纳光学器件、微流控器件、可穿戴电子产品、软体机器人等诸多领域和行业有着非常广泛的应用。介绍了课题组近年提出并建立的一种微纳尺度增材制造新工艺——电场驱动喷射沉积微纳3D打印,并论述了近年研究进展和取得的重要成果,介绍了5个工程应用案例。电场驱动喷射沉积微纳3D打印为微纳尺度3D打印和微纳制造提供了一种全新的解决方案,具有良好的工业化应用前景。 展开更多
关键词 微纳尺度3D打印 电场驱动喷射沉积 微纳增材制造 多材料多尺度3D打印 功能梯度材料/结构
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Interface microstructure and mechanical properties of selective laser melted multilayer functionally graded materials 被引量:6
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作者 WANG Di DENG Guo-wei +4 位作者 YANG Yong-qiang CHEN Jie WU Wei-hui WANG Hao-liang TAN Chao-lin 《Journal of Central South University》 SCIE EI CAS CSCD 2021年第4期1155-1169,共15页
Functionally graded material(FGM)can tailor properties of components such as wear resistance,corrosion resistance,and functionality to enhance the overall performance.The selective laser melting(SLM)additive manufactu... Functionally graded material(FGM)can tailor properties of components such as wear resistance,corrosion resistance,and functionality to enhance the overall performance.The selective laser melting(SLM)additive manufacturing highlights the capability in manufacturing FGMs with a high geometrical complexity and manufacture flexibility.In this work,the 316L/CuSn10/18Ni300/CoCr four-type materials FGMs were fabricated using SLM.The microstructure and properties of the FGMs were investigated to reveal the effects of SLM processing parameters on the defects.A large number of microcracks were found at the 316L/CuSn10 interface,which initiated from the fusion boundary of 316L region and extended along the building direction.The elastic modulus and nano-hardness in the 18Ni300/CoCr fusion zone decreased significantly,less than those in the 18Ni300 region or the CoCr region.The iron and copper elements were well diffused in the 316L/CuSn10 fusion zone,while elements in the CuSn10/18Ni300 and the 18Ni300/CoCr fusion zones showed significantly gradient transitions.Compared with other regions,the width of the CuSn10/18Ni300 interface and the CuSn10 region expand significantly.The mechanisms of materials fusion and crack generation at the 316L/CuSn10 interface were discussed.In addition,FGM structures without macro-crack were built by only altering the deposition subsequence of 316L and CuSn10,which provides a guide for the additive manufacturing of FGM structures. 展开更多
关键词 selective laser melting multilayer functionally graded material interfacial characterization crack defects mechanical properties
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