基于貝殼珍珠層特征的金屬仿生設計和電弧增材制造研究.pdf

1、天然貝殼的組成結構與力學性能之間存在最佳的匹配規(guī)律。貝殼的珍珠層有著“軟-硬”交織的層狀復合結構和優(yōu)異的力學性能，這為高性能仿生材料的設計及制造提供了新思路。在研究生物材料的過程中不斷開發(fā)仿生材料制造新方法已成為研究重點。
　　本文以背角無齒蚌為研究對象，探究其材料組成、微觀結構及力學性能特征，分析總結其組成結構與力學性能之間的關系。仿照貝殼珍珠層的結構特點，進行仿生金屬結構件的設計，通過TIG電弧增材制造方法打印出具有仿貝殼珍珠

2、層結構的金屬結構件，并對其顯微組織及力學性能進行研究，用以驗證天然貝殼材料的強韌化機制。
　　背角無齒蚌主要成分是CaCO3，由棱柱層和珍珠層構成。密度分布四周較大，向頂部收攏過程中逐漸減小。新鮮貝殼抗彎強度為29.8MPa，加熱后明顯降低，為3.37MPa。棱柱層的硬度為4～5GPa，彈性模量為60GPa左右;珍珠層的硬度為3.5GPa，彈性模量為70GPa左右，棱柱層比珍珠層硬度大而抗彈性變形能力差。珍珠層的裂紋擴展路徑說明，

3、“軟硬”交織的結構特征是珍珠層強韌化的關鍵因素。分析總結得出天然貝殼材料的增韌機制主要有:裂紋偏轉(zhuǎn)、文石片拔出和有機質(zhì)的連接。
　　仿生電弧增材制造中的焊縫寬度、高度和焊接速度成反比，和焊接電流成正比。搭接率的增加可以提高堆積層上表面的平整度，成形質(zhì)量更好，搭接率η=33％，成形質(zhì)量最佳;搭接率η大于50％時容易造成金屬結構件向一側(cè)或兩側(cè)坍塌。
　　不銹鋼結構件底部焊縫的組織為胞狀γ奧氏體，夾雜極少蠕蟲狀δ鐵素體;中部組織為

4、γ奧氏體+δ鐵素體;最后一層焊縫的組織為γ+δ兩相區(qū)和γ相區(qū)，其中γ相區(qū)又分為胞狀γ相區(qū)和柱狀γ相區(qū)。沿著堆積方向從下到上，晶粒越來越細小;重熔區(qū)組織的生長方向垂直于熔合線指向熔池中心;結構件內(nèi)部組織呈從下往上生長趨勢，頂部區(qū)域組織生長方向隨散熱方向改變而發(fā)生改變。
　　不銹鋼和高氮鋼沿堆積方向的硬度從下到上逐漸上升，高氮鋼硬度局部呈“V”形變化;兩種材料交織結構件的硬度變化趨勢呈正弦波形狀，波峰為高氮鋼硬度，波谷為不銹鋼硬度。不