0 引言
夹芯结构是一种轻质高强多功能复合材料,且集热交换、抗冲击、电磁屏蔽、吸隔声等多功能于一身,在航空、航天、船舶、高速列车等多种领域得到了广泛的应用,其芯部结构对它的成形状况、力学性能以及其他性能有着至关重要的影响[1-3]。按照夹芯层微观结构规则程度可分为泡沫夹芯[4]、蜂窝夹芯[5]以及点阵夹芯[6]结构。很多研究者[7-10]通过实验以及理论分析,证明经过调节泡沫芯的厚度、密度、孔径和结构等参数,可以获得具有不同吸声和隔音性能的泡沫夹芯结构。He等[11]采用理论和数值模拟相结合的方法,发现面板厚度和第一层蜂窝的高度对双层分层超轻微穿孔蜂窝夹芯板吸声性能有重要影响。Li等[12]提出通过调整夹芯板的蜂窝芯结构,可以有效地改变夹芯板的弯曲刚度、基频和声传输损耗,但是这种复合蜂窝夹芯层会导致夹芯结构的力学性能不均匀。王东炜[13]将金字塔点阵夹芯结构等效为二维周期性欧拉-伯努利梁对其隔声性能进行了研究,研究发现增加面板的厚度能够有效地提高结构的质量密度,从而提高结构在低频范围内的隔声性能。Chen等[14]用有限元方法研究了简单立方晶格、体心立方晶格和面心立方晶格的能带结构和声衰减,在这些结构中发现了完整的声学带隙,并且发现带隙的宽度取决于体积分数。
上述夹芯结构是由中间芯子结构、上下面板以及粘结层组成的复合结构,由传统方法制备存在着面板和芯部结合处较为薄弱的缺陷,具有明显的面芯界面,结构易发生界面分层。基于选区激光熔化技术制造的Ti6Al4V有序多孔Diamond夹芯结构为一体化结构,夹芯与上下面板一次加工成型,与传统的夹芯结构相比,具有不易分层、耐冲击等优点。而且TPMS生成的连续曲面有序多孔夹芯结构表面平滑,具有良好的拓扑优化性,能够有效地避免传统点阵结构中节点处的应力集中现象[15-16]。TPMS夹芯结构比传统夹芯结构具有更高的比刚度、抗冲击和轻量化的优势[1,6,15,17-19],是未来夹芯结构的重要发展方向,可适用于高端运输装备所承受的复杂力学环境。Abueidda等[20]对3种典型TPMS多孔结构的声带结构、声衰减和单轴弹性模量进行了计算研究,发现在低频和低相对密度下存在声带隙,并且还研究了TPMS多孔结构的孔隙率对禁带宽度的影响,在考虑的孔隙率范围内,发现较低的孔隙率会导致较宽的声学带隙。文献[21-22]利用有限元仿真和试验方法研究了用光敏树脂制备的2种TPMS夹芯结构隔声性能,并且指出Diamond结构的设计参数对夹芯结构隔声性能有一定的影响。
基于选取激光熔化技术制备的Ti6Al4V有序多孔夹芯结构具有高的比强度、比刚度,而其声学性能方面的研究尚属空白。基于此,本文主要通过实验方法研究Ti6Al4V有序多孔Diamond夹芯结构隔声特性。通过TPMS隐函数法建立钛合金有序多孔夹芯结构三维模型,利用选区激光熔化技术加工Ti6Al4V有序多孔夹芯结构样件,基于阻抗管法分别对3个系列共计13个样品进行隔声测试,系统地研究Ti6Al4V有序多孔Diamond结构夹芯层的胞元层数、体积分数以及面板厚度对其整体隔声性能影响。
1 Ti6Al4V有序多孔Diamond夹芯结构设计与加工
1.1 有序多孔Diamond夹芯结构设计
Diamond夹芯结构设计流程如图1所示,式(1)为D-tpye TPMS函数表达式,基于式(1)[23],通过Matlab建立Diamond结构模型。
φD=sin(αx)*sin(βy)sin(γz)+
cos(αx)*sin(βy)*cos(γz)+
cos(αx)*cos(βy)*sin(γz)+
k[cos(4αx)+cos(4βy)+cos(4γz)]+RD
(1)
图1 Diamond夹芯结构设计流程
Fig.1 Design flow of Diamond sandwich structure
式(1)中:α、β、γ分别决定Diamond结构单元在x、y和z 3个方向上的尺寸大小,为单元尺寸控制参数,其值越大单元尺寸就越小,如x方向上的周期为Tx=2π/α,Tx即为x方向上的单元尺寸;系数K可以用来调节Diamond结构节点的形状;RD用来调整Diamond结构的体积分数(ρ*),它可以决定支柱的粗细,但不改变单元尺寸大小。利用插值法得到了RD和ρ*的对应值,然后通过数学软件拟合出RD关于ρ*的函数关系式),并且计算出体积分数为40%、30%、20%、10%的Diamond结构RD值。
通过Matlab初步建立有序多孔Diamond结构模型,将建立好的模型导入Materialise Magics 24.0中修复;考虑到声阻抗管对测试样品的要求,再建立直径29 mm的圆柱与修复好的模型进行布尔运算求交集得到夹芯层;在此基础上设计夹芯结构上、下面板,将设计好的面板与夹心层进行布尔运算求和得到有序多孔Diamond夹芯结构。
如图2所示,设计了3个系列的样品,分别讨论胞元层数、面板厚度、体积分数对Diamond夹芯结构隔声性能的影响。
图2 设计3个系列Diamond夹芯结构
Fig.2 Three series Diamond sandwich structures are designed
1.2 Ti6Al4V粉末
本实验以气雾化法制备的Ti6Al4V(北京易加三维公司提供,满足ASTMF1108粉末标准)金属粉末作为原材料。图3为粉末的微观形貌和粒径分布规律,可以发现粉末颗粒表现为近球形,粉末球形度良好,便于形成良好的铺粉质量。粉末粒径集中分布在30～60 μm之间,其中,D10、D50和D90分别为17.23、30.16、46.87 μm。本实验所用Ti6Al4V金属粉末具有少量的氧、氮、碳和铁元素,可以获得良好的延展性和断裂韧性。
图3 Ti6Al4V粉末形貌、粒径分布
Fig.3 Ti6Al4V powder morphology and particle size distribution
1.3 样品制备
本实验通过北京易加三维科技有限公司EP-M150成型设备制造隔声试样,该设备搭载200 W/500 W水冷光纤激光器(激光波长为1 060～1 090 nm)。加工之前,将样品通过Materialise Magics 24.0进行切片处理,并将切片文件导入到设备自带软件中对成型工艺参数进行设置,通过多次实验得出钛合金有序多孔夹芯结构最优工艺参数如表1所示。另外,为了避免粉末潮湿对成形质量的影响,成形前将Ti6Al4V粉末在真空干燥箱中干燥(80 ℃干燥4 h左右)。将设置好的工艺参数导入E-P-M150主机,然后准备好加工条件,打开水冷机,对成形仓进行抽真空、充氩气保护并对基板进行预热处理。待成形仓的氧含量降低到0.02%、基板温度达到120 ℃后开始成形。成型后的样品通过线切割的方式从基板上切下来,将样品放置在乙醇溶液中,经超声波清洗15 min,风干后测试其隔声性能。
表1 Ti6Al4V有序多孔Diamond夹芯结构最佳工艺参数
Table 1 Optimal process parameters for machining Ti6Al4V Diamond sandwich structure
参数数值激光功率/W180扫描速度/(mm·s-1)1 000扫描间距S0.12铺粉层厚/μm30光斑直径/μm70
2 隔声性能测试
根据国际标准化组织的标准ISO10534—2:1998(E)《声学阻抗管中吸声系数和声阻抗的测量第2部分:传递函数法》。利用声阻抗管(丹麦B&K,本次实验采用小管,样品直径29 mm,测试范围500～6 400 Hz)测试有序多孔Diamond夹芯结构隔声性能,声阻抗管试验设备如图4所示,笔记本电脑通过B&K声学测量软件和3560C数据采集系统生成白噪声信号,B&K2716功率放大器将白噪声放大并通过B&K4296无指向性声源辐射至阻抗管4206内,B&K4296无指向性声源发出的声波在阻抗管中形成驻波,在阻抗管内的样品两端分别安装双传声器BK4187,传声器记录样品两端的声压以及相位信号,最终在数据分析仪中分析处理,计算钛合金有序多孔Diamond夹芯结构隔声样品的传递损失。需要注意的是,在试验开始时需要对4个传声器分别用B&K4231型声级校准器进行校正,校准4个通道的灵敏度。另外,为了防止漏声,试验样品安装时在表面均匀涂抹一层凡士林。为了确保实验结果的准确性,每个样品测试3次取平均值。
图4 阻抗管测试设备
Fig.4 Acoustic impedance tube test equipment
关于SLM技术制备的TPMS夹芯结构力学性能已有大量的文献[1,2,17,24-28],因此没有进一步研究其力学性能。如图5所示,高度为32 mm的钛合金有序多孔Diamond夹芯结构在整个测试频段(500～6 400 Hz)内的隔声量比同高度实体样品隔声量要高,并且其平均隔声量要比同高度实心样品高6 dB左右。这是因为有序多孔Diamond夹芯结构相比较于实体样品其内部有许多相互贯通的孔,当声波通过样品时,由于面板的作用除了会反射一部分声波外,有一部分声波会透过面板进入结构内部,透射声波进入到有序多孔Diamond结构后引起了结构内部的空气振动,由于振动受到TPMS孔隙壁的阻挡,空气与孔隙壁发生摩擦和粘滞作用使相当一部分声能转化为热能耗散,孔隙中的空气和孔壁之间的热交换引起的热损失,也使声能衰减,造成一部分声能量损失。同高度钛合金有序多孔Diamond夹芯结构比实体样品隔声性能优越,且质量轻,有很好的力学缓冲性能。因此,研究Ti6Al4V有序多孔Diamond夹芯结构隔声性能有很重要的意义。
图5 实体与Diamond夹芯结构隔声性能比较
Fig.5 Comparison of sound insulation performance between solid and Diamond sandwich structure
2.1 胞元层数对Diamond夹芯结构隔声性能影响
保持体积分数20%、面板厚度1.5 mm、单胞尺寸5.8 mm×5.8 mm×5.8 mm不变,讨论胞元层数对Diamond夹芯结构隔声性能的影响。从图6(a)可以看到,4个样品在500～6 400 Hz频段内的隔声量都高于25 dB;胞元层数为偶数的2个样品在500～3 220 Hz频段内的隔声量随着频率的增加逐渐上升,并且在此频段内隔声量相差4 dB左右。从图6(b)可以看到,奇数胞元层数平均隔声量要比偶数晶胞层数高出10 dB以上。总的看来,随着胞元层数的递增,隔声量没有明显递增的趋势,但是从隔声效果来看,奇数胞元层数隔声效果优于偶数晶胞层数隔声效果,推测可能是由于入射声波与晶胞周期相互作用产生的结果。换言之,奇数胞元层数时反射波可能与行波同相,2种波发生相互破坏性的干涉,这种相消干涉导致了局部带隙的产生。
图6 胞元层数对Diamond夹芯结构隔声性能影响
Fig.6 Influence of cell layer number on sound insulation performance of Diamond sandwich structure
2.2 面板厚度对Diamond夹芯结构隔声性能影响
保持体积分数20%、胞元层数为3Cell、单胞尺寸 5.8 mm×5.8 mm×5.8 mm不变,研究面板厚度对钛合金有序多孔Diamond夹芯结构隔声性能的影响。如图7(a)所示,面板厚度为1、1.5、2、2.5 mm的4个样品在500～6 400 Hz频段内的隔声量都高于32 dB,最高隔声量可达52 dB。随着测试频率的增加,隔声量都呈现出递增的趋势。在 1 500～6 000 Hz频段内面板厚度为1.5 mm的样品隔声效果最佳,面板厚度为2 mm的样品隔声效果比较差。从图7(b)可以看出,4个样品的平均隔声量相差不大,都为41 dB左右。由此可见,小范围内面板厚度的变化对钛合金有序多孔Diamond夹芯结构隔声性能影响不大。总的来看,随着面板厚度的递增隔声量没有明显递增或递减的趋势,但是在某些频段内调节面板厚度可以改善Diamond夹芯结构的隔声性能。
图7 面板厚度对Diamond夹芯结构隔声性能影响
Fig.7 Influence of panel thickness on sound insulation performance of Diamond sandwich structure
2.3 体积分数对Diamond夹芯结构隔声性能影响
在面板厚度1.5 mm、胞元层数为3Cell、单胞尺寸5.8 mm×5.8 mm×5.8 mm不变的情况下,研究体积分数对钛合金有序多孔Diamond夹芯结构隔声性能的影响。由图8(a)可以看出体积分数为10%、20%、30%、40%的4个样品在500～6 400 Hz频段内的隔声量都高于21 dB;体积分数10%的样品与体积分数20%、30%、40%的样品在500～1 500 Hz频段、4 500～6 400 Hz频段内隔声量相差比较大。体积分数40%的样品在整个测试频段内隔声量波动起伏较小,隔声量稳定在38 dB左右。从图8(b)可以看出,体积分数30%的样品平均隔声量为47.56 dB,体积分数10%的样品平均隔声量为26.4 dB,最高隔声量与最低隔声量相差 21 dB 左右。
图8 体积分数对Diamond夹芯结构隔声性能影响
Fig.8 Influence of volume fraction on sound insulation performance of Diamond sandwich structure
体积分数对Diamond夹芯结构隔声性能有很大的影响,合理的选择结构体积分数,可以实现声能量的最大消耗,达到良好的隔声效果。
3 结论
基于TPMS隐函数法,通过数学软件Matlab设计了有序多孔Diamond夹芯结构,利用SLM技术制备了样品,通过声阻抗管测试了设计的3个系列共13个样品的隔声性能,讨论了主要参数对隔声性能的影响,得到如下结论:
1) 随着胞元层数的递增,隔声量并没有明显递增的趋势;奇数胞元层数钛合金有序多孔Diamond夹芯结构隔声效果优于偶数胞元层数。
2) 小范围内面板厚度的变化对钛合金有序多孔Diamond夹芯结构隔声性能的影响不大。在500～6 400 Hz频段内,面板厚度为1、1.5、2、2.5 mm的4个样品的隔声量都高于32 dB,其平均隔声量都大于40 dB,并且随着测试频率的增加,隔声量呈现递增的趋势。
3) 在3个关键参数中,体积分数对Diamond夹芯结构的隔声性能影响比较大。在满足目标力学性能的情况下,针对特定频段的隔声需求选择合适体积分数的夹芯结构可以节约成本。
总的来看,在3个参数中,体积分数对钛合金有序多孔Diamond夹芯结构的隔声性能影响最大,胞元层数次之,小范围内面板厚度对其影响比较小,这是由于体积分数直接影响样品的比表面积,即影响了入射声波与孔隙的互相作用,而胞元层数则会影响入射声波的传输路径。
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