金屬晶格材料通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和微觀結(jié)構(gòu)調(diào)控，結(jié)合了高承載性能和輕量化特性，成為現(xiàn)代工業(yè)中尋求節(jié)能、減排、提高效率和減少碳足跡的關(guān)鍵材料[[1], [2], [3]]。這在汽車工程、航空航天和生物醫(yī)學(xué)等先進(jìn)領(lǐng)域尤為明顯，它們顯著降低了能耗，提高了承載效率，并確保了結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的安全性和可靠性[4,5]。
金屬晶格材料的設(shè)計(jì)和制造對(duì)其性能至關(guān)重要。近年來，增材制造的進(jìn)步使得能夠控制設(shè)計(jì)和制造具有復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)的金屬晶格材料[6]。在各種增材技術(shù)中，激光粉末床熔融（LPBF）因其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)（如快速熱循環(huán)、高構(gòu)建效率和優(yōu)異的尺寸精度）而被廣泛采用[7]。例如，LPBF制造的316L不銹鋼晶格結(jié)構(gòu)具有高密度位錯(cuò)細(xì)胞結(jié)構(gòu)和幾何必需位錯(cuò)（GNDs）[8]。在壓縮過程中，位錯(cuò)細(xì)胞壁與變形孿晶之間的協(xié)同作用產(chǎn)生了新的位錯(cuò)，進(jìn)一步增強(qiáng)了晶格結(jié)構(gòu)的機(jī)械性能。類似地，TC4合金晶格的熱處理誘導(dǎo)的微觀結(jié)構(gòu)演變導(dǎo)致面心立方（FCC）和體心立方（BCC）型晶格的斷裂模式發(fā)生顯著變化[9]。此外，CoCrNi中熵合金（MEAs）晶格結(jié)構(gòu)在沖擊載荷下可以形成變形孿晶，從而增強(qiáng)其能量耗散能力[10]。這些發(fā)現(xiàn)表明，微觀結(jié)構(gòu)演變強(qiáng)烈影響了基于晶格的材料的機(jī)械行為。
目前，金屬晶格材料的承載能力仍然有限，因?yàn)樗苄圆蛔愕牟牧显谙鄬?duì)較小的應(yīng)變下容易發(fā)生脆性斷裂[[11], [12], [13]]。例如，由Ti-6Al-4V[14]和Al-Si-10Mg[15]合金制造的晶格結(jié)構(gòu)具有高強(qiáng)度和低密度；然而，它們的塑性有限，使得它們?cè)谛〉淖冃蜗氯菀资АＯ啾戎拢?16L不銹鋼[16,17]和CuCrZr[18]等金屬提供了具有優(yōu)異延展性和能量吸收能力的晶格；然而，它們的強(qiáng)度不足，限制了其承載性能[19]。
為了解決這些挑戰(zhàn)，研究人員提出了先進(jìn)的結(jié)構(gòu)策略，包括基于機(jī)器學(xué)習(xí)的新型多孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[20]、具有優(yōu)異承載能力的仿生夾層結(jié)構(gòu)[21]以及能夠顯著提高強(qiáng)度和剛度的空心支柱設(shè)計(jì)[22]。例如，優(yōu)化的空心支柱晶格的強(qiáng)度比實(shí)心結(jié)構(gòu)高出99.6%，模量高出60%[23]，表明節(jié)點(diǎn)增強(qiáng)是一種有效的強(qiáng)化策略。劉等人報(bào)告稱，他們的ECIL-1.5配置達(dá)到了1.79 MPa的穩(wěn)定應(yīng)力 và 59.1%的壓碎力效率——分別比基線FCC帶z型支柱（FCCZ）提高了59.8%和15.2%[24]。張等人結(jié)合節(jié)點(diǎn)優(yōu)化和仿生設(shè)計(jì)開發(fā)了兼具高隔熱性和高強(qiáng)度的晶格超材料[25]。然而，由于基礎(chǔ)材料的固有限制，這些宏觀結(jié)構(gòu)策略的有效性仍然受到限制，難以充分發(fā)揮金屬晶格材料的潛力。
高熵合金（HEAs）因其出色的機(jī)械性能組合而受到廣泛關(guān)注[26,27]，包括卓越的強(qiáng)度-延展性協(xié)同效應(yīng)、顯著的加工硬化（WH）能力和優(yōu)異的損傷容忍度。這些性能源于晶格畸變[28]、低堆垛錯(cuò)能（SFE）[29]和化學(xué)短程有序[30]之間的相互作用。利用這些特性進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)調(diào)控，可以制造出高強(qiáng)度和延展性的金屬晶格結(jié)構(gòu)[31,32]。例如，孫等人通過LPBF制造了一種AlCoCrFeNi2.1共晶HEA的空心磚墻晶格結(jié)構(gòu)；該結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出241.2 ±4.2 MPa的抗壓強(qiáng)度，這歸因于細(xì)晶強(qiáng)化、位錯(cuò)強(qiáng)化以及FCC和BCC/B2異質(zhì)相之間的協(xié)同作用[33]。杜等人使用CoCrFeMnNi HEA制造了一種高性能的十面體內(nèi)部鉆石晶格結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了38.49 MPa·cm3/g的比強(qiáng)度和50.97 J/g的比能量吸收率[34]。近年來，F(xiàn)CC（FeCoNi）86Al7Ti7 HEAs因其可調(diào)的納米尺度微觀結(jié)構(gòu)而成為研究熱點(diǎn)[[35], [36], [37], [38]]。通過向FeCoNi基體中添加適量的Al和Ti，可以增強(qiáng)這些合金的機(jī)械性能，促進(jìn)相干納米尺度沉淀物的形成[39,40]。將這些材料應(yīng)用于輕量化晶格結(jié)構(gòu)的制造，為實(shí)現(xiàn)高比強(qiáng)度、高剛度和優(yōu)異的能量吸收能力提供了巨大潛力。
在本研究中，通過LPBF制造了三種類型的（FeCoNi）86Al7Ti7 HEA桁架晶格結(jié)構(gòu)——即簡單立方（SC）晶格、BCC晶格和帶z型支柱的體心立方（BCCZ）晶格。通過將LPBF處理與后續(xù)時(shí)效處理相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了一種跨尺度設(shè)計(jì)策略，將納米尺度沉淀強(qiáng)化與毫米尺度晶格結(jié)構(gòu)聯(lián)系起來。首先檢查了制造質(zhì)量和多尺度微觀結(jié)構(gòu)特征，以建立加工-結(jié)構(gòu)關(guān)系（3.1 制造質(zhì)量和精度，3.2 微觀結(jié)構(gòu)）。隨后，通過單軸壓縮測(cè)試和有限元模擬評(píng)估了機(jī)械性能，結(jié)果表明SC晶格具有最高的承載能力和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性（第3.3節(jié)）。微觀結(jié)構(gòu)研究表明，L12納米沉淀物阻礙了位錯(cuò)滑移，促進(jìn)了位錯(cuò)纏結(jié)，并在高應(yīng)力下保持了持久的加工硬化效應(yīng)（第4.1節(jié)）。基于這些觀察結(jié)果，詳細(xì)分析了強(qiáng)化機(jī)制和加工硬化行為（第4.2節(jié)）。最后，討論了這些發(fā)現(xiàn)對(duì)HEAs在輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和高性能、可靠晶格材料開發(fā)中的應(yīng)用意義（第4.3節(jié)）。
