引言：应对极端热力耦合挑战的仿生解决方案
高超声速飞行器在极端气动热环境中运行，面临着剧烈的热梯度与复杂的多轴机械载荷。在此类热力耦合条件下，结构系统必须同时提供可靠的热防护、在高温下保持承载稳定性并能耗散瞬态冲击能量。这一内在的多目标冲突推动了将热防护与承载能力相结合的功能结构的发展。受自然界中软体动物贝壳等分层生物系统的启发，其坚硬外壳抵御外部攻击、柔韧内层耗散能量的分工范式，为工程架构提供了协同平衡保护与机械鲁棒性的蓝图。基于此类Janus-like双层原型，双金属架构通过组合两种性能互补的金属，成为调和竞争需求的有前景策略。特别是，在高温服役时，将耐热合金与传统合金进行适当的空间排布，可以实现梯度的热膨胀系数，从而缓解热诱导内应力，提高热疲劳抗力和耐久性。
选择性激光熔化（SLM）作为一种粉末床熔融增材制造技术，通过逐层构建和近净成形能力，为高质量、一体化的双金属制造提供了自下而上的途径。然而，当前的双材料增材制造主要集中在钢、铜或钛合金上，尽管铝合金因其优异的强度重量比和轻质特性对航空航天轻型结构至关重要，但基于铝合金的双材料设计仍然有限。常用的可打印铝合金，如AlSi10Mg，在高温力学性能和断裂韧性方面存在固有局限。为解决此问题，掺杂强化策略被广泛探索，例如向Al-Si合金中添加Fe、Ni和Mn可促进热稳定的Al5(FeNi)和Al6Mn相析出，从而增强高温下的结构承载能力。同时，铝基碳化硅（Al/SiC）复合材料利用SiC颗粒与铝基体之间热膨胀系数和刚度的差异，引入残余应力并增加位错密度，从而获得高刚度和抗变形能力。
为了在高温能量吸收场景中充分发挥Janus-like双材料策略的潜力，架构点阵超材料因其轻质高强的特性成为有效的结构载体。三周期极小曲面（TPMS）超材料，特别是Gyroid型，因其连续且平滑变化的曲面曲率，相比传统杆状点阵能更有效地缓解因热力失配在双金属界面产生的局部应力集中，降低界面脱粘风险，并促进复杂载荷下的高效稳定能量吸收。
双金属设计准则与3D打印技术
本研究受自然界贝壳结构启发，设计并一体化制造了3D打印Janus-like双金属架构。在该策略中，高强度、耐热的AlSiFeMnNiMg合金作为结构耐热层，提供热防护和承载能力；掺有特定比例SiC的AlSi10Mg作为功能层，增强整体刚度和抗变形能力。其中，AlSiFeMnNiMg合金中的过渡金属元素促进了热稳定Al5(FeNi)和Al6Mn相的形成，这些耐热相钉扎晶界，显著提高了高温下的微观结构完整性和载荷保持能力。对于承载功能层，选择了广泛应用于航空航天领域的SiC增强AlSi10Mg复合材料，其利用SiC颗粒与Al基体之间热膨胀系数和刚度的失配，在制造和变形过程中引入额外的残余应力和提高位错密度，从而获得高刚度和强抗变形能力。研究将SiC体积分数设置为0、4和8 vol%的梯度变量，以定量评估颗粒含量如何控制界面微观结构连续性、跨界面载荷传递效率和失效模式。
在拓扑结构选择上，采用了Gyroid型TPMS而非传统的BCC或FCC杆状点阵。Gyroid的连续曲面能更有效地缓解双金属界面因热力失配引起的局部应力放大，降低界面脱粘风险，其分布和高连通性促进了复杂载荷下的高效稳定能量吸收。
研究通过定制的双料斗SLM工艺，一体化制造了AlSiFeMnNiMg/AlSi10Mg-xSiC（记为HT-xSiC）双金属试样。采用气体雾化AlSiFeMnNiMg粉末与按设计体积分数x = 0、4、8 vol%预混SiC颗粒的球形AlSi10Mg粉末作为原料。对于架构试样，采用了基于Gyroid单胞的TPMS点阵，单胞尺寸为5 mm × 5 mm × 5 mm，通过6 × 6 × 6单胞镶嵌得到30 mm × 30 mm × 30 mm的点阵块体，体积分数设定为35%。实现了三种材料配对的双金属TPMS结构：(1) HT-0SiC；(2) HT-4SiC；(3) HT-8SiC。
质量检测与微观结构特征
孔隙会减少有效承载面积并显著降低力学性能。显微CT扫描和孔隙重建结果表明，打印的双金属形成了致密的、成分分区的界面。在Al/8SiC一侧观察到大量孔隙，而AlSiFeMnNiMg一侧的孔隙数量显著减少。跨越冶金结合界面，孔隙率分布仅呈现狭窄过渡，没有连续的多孔带。
变形前的初始微观结构显示，在界面两侧存在显著差异。左侧AlSi10Mg-xSiC区域由尺寸约为3–10 µm的等轴再结晶晶粒组成，SiC颗粒均匀分散。右侧AlSiFeMnNiMg区域则呈现羽毛状枝晶特征，具有明显的<001>/<110>择优取向。电子背散射衍射（EBSD）图证实了这些观察，AlSi10Mg–xSiC侧颜色分布宽泛，表明织构非常弱，而AlSiFeMnNiMg侧则呈现带状、近乎单色的区域，反映了热流诱导的择优取向。细散的SiC颗粒预计通过晶界强化来增强合金，而少数粗大颗粒可能在后续拉伸加载中作为潜在的孔洞/裂纹形核点。
SEM形貌和元素分布图直接证明了AlSiFeMnNiMg/Al-xSiC异质界面的成分连续性和冶金结合。铝和硅在整个视场中保持连续且近乎均匀，表明界面两侧均为Al-Si基体。相比之下，Fe和Mn在AlSiFeMnNiMg侧明显富集，并在跨越界面很短距离内衰减至背景水平，表明在双料斗SLM粉末切换和扫描过渡期间，只有最小的稀释和跨边界扩散。同时，碳被限制在Al-xSiC侧，并且随着SiC分数从0 vol%增加到8 vol%，其面积覆盖率增加。在AlSiFeMnNiMg侧未检测到显著的C富集，这意味着SiC颗粒既没有迁移跨越边界，也没有发生明显的分解。在任何样品中均未观察到未熔合缺陷或连续孔隙带，证明了可靠的冶金结合。
高温下的原位拉伸测试
在25°C下，对由4 vol% SiC增强的AlSi10Mg和AlSiFeMnNiMg合金组成的界面试样进行了原位拉伸测试。结合载荷-位移响应和连续应变下的SEM观察，可以详细探究界面力学和微观损伤演化。在0%应变时，界面两侧的微观结构完整，SiC颗粒均匀分散在AlSi10Mg基体中，界面结合紧密。加载至5%应变时，微裂纹首先出现在AlSi10Mg侧。由于SiC与基体之间的弹性模量失配，应力集中在颗粒周围，这些颗粒充当了损伤形核点。在10%至30%应变期间，SiC/AlSi10Mg熔池中的裂纹继续扩展。存在两种途径：一是沿颗粒/基体界面形核，随后在局部较弱界面区域扩展；二是直接穿透基体，逐渐破坏熔池完整性。在此过程中，SiC颗粒作为持续的应力集中点，反复触发熔池内的裂纹萌生和合并。相比之下，缺乏刚性增强相的HT侧没有出现明显的开裂，变形更协调，突出了异质结构变形模式的基本不对称性。断裂发生在33.4%应变处，失效位置位于AlSi10Mg侧。断裂表面呈现出沿熔池边界的波纹状形貌，表明裂纹沿这些边界扩展，同时存在颗粒-基体脱粘的迹象。这些观察表明，引入SiC显著提高了AlSi10Mg熔池内的局部应力集中，严重降低了塑性协调能力。
在250°C高温下的原位拉伸变形显示，在初始0%应变时，AlSi10Mg侧可见离散的SiC颗粒，并与AlSiFeMnNiMg合金形成清晰界面。在5%应变时，界面附近出现细微差异，熔池边界变得略微起伏，并且由于应力集中，在SiC颗粒周围开始出现局部变形。至15%应变时，AlSi10Mg侧的颗粒诱导约束增强，界面两侧的成分和微观结构对比降低了变形协调性，放大了熔池扭曲。在25%应变时，SiC颗粒成为位错运动的强障碍，促进位错塞积和局部应力升高。在30%应变时，损伤演化在SiC贫乏的AlSi10Mg区域加速，熔池轮廓变得尖锐，力学失配将应变局域化在界面区域。在40%应变时，微裂纹在SiC颗粒周围形核，并且熔池变形在五元合金侧更为明显。最终断裂发生在47.8%应变，值得注意的是，断裂发生在AlSiFeMnNiMg合金内部而非界面处。断裂位置呈扇形凸起，表明沿熔池弧形分离。高倍成像显示，裂纹在熔池弧形边界过渡处萌生，成为最早的失效位置。熔池凝固过程中形成的柱状和树枝晶结构使这些边界成为微观结构的“弱界面”。当裂纹冲击熔池边界时，跨越边界的晶粒取向失配将局部应力状态从单轴拉伸转变为多轴复杂场，驱动裂纹偏转和分支。在高温下，增强的原子迁移率进一步加速了沿熔池边界的晶界滑移和扩散，促进了曲折的裂纹扩展。
有限元建模与验证
研究系统地展示了基础材料的压缩响应、TPMS架构的有限元（FE）建模以及逐步验证过程。相对于AlSiFeMnNiMg基体，含SiC的复合材料表现出更陡的初始斜率、更早的屈服伴随更尖锐的应力上升、显著升高的峰值应力和降低的极限应变，反映了颗粒强化以牺牲延展性为代价增强载荷能力的常见权衡。
用于双金属TPMS结构的有限元模型显示，在整个压缩过程中，动能与内能的比值保持在5%以下，满足准静态加载准则。通过评估六种网格尺寸，0.4 mm的网格在再现点阵压缩响应方面提供了效率、收敛性和保真度的最佳平衡，因此被用于所有后续分析。材料参数通过材料属性界面导入Abaqus。数值预测与实验结果吻合良好。对于HT-0SiC在室温和250°C下的模拟比能量吸收（SEA）和Sef与测量值的偏差小于5%。这种微小差异与先前的报告一致，归因于测试试样中不可避免的LPBF诱导缺陷，这些缺陷特别影响弹性阶段，而有限元模型假设为理想、无缺陷的材料。模拟与实验之间的紧密一致性证实了有限元模型的有效性。
双金属结构的力学响应与断裂行为
本研究选取比能量吸收（SEA）、平均压溃力（MCF）、峰值压溃力（PCF）、压溃力效率（CFE）和平台应力（σpl）作为量化点阵结构性能的指标。能量吸收效率f、SEA、平台应力、MCF、PCF和CFE均有具体的计算公式。
在25°C下，三种成分（HT-0SiC, HT-4SiC, HT-8SiC）均表现出经典的三阶段响应：从线性弹性到平台段再到致密化。初始峰值后的起伏平台对应于逐个单胞的屈曲和连续失稳，而能量吸收效率随应变近似线性增加。加热至250°C时，平台变得更为平滑，峰值幅度显著收敛，表明基体热软化抑制了局部失稳的强度。同时，响应在中高应变阶段保持稳定上升。在成分方面，HT-4SiC在两种温度下均获得更高的强度和平台应力，并且在高温下表现出更优的峰均一致性。在25°C–250°C范围内，4 vol% SiC形成了一个性能“脊线”，在两个温度下均保持了高的比能量吸收。相比之下，0 vol%体系受益于热软化（加热后CFE更高），而8 vol%体系由于加剧的模量失配在高温下更容易局域化，导致平台减弱。总体而言，HT-4SiC在强度、能量吸收和效率方面提供了最平衡的组合，是后续结构优化和工程应用的首选成分。
具体数据表明，HT-4SiC点阵提供了在温度范围内强度和能量吸收之间最有利的协同作用。在25°C时，其SEA达到31.65 J g-1，平台应力升至38.63 MPa，分别比HT-0SiC高11.72%和25.02%，比HT-8SiC高18.67%和22.21%。当加热至250°C时，HT-4SiC的SEA和σpl仍保持在30.46 J g-1和43.81 MPa。与HT-0SiC相比，HT-4SiC将峰值和平均压溃力提高了约25.97%和3.4%，同时保持了相当的压溃力效率。这种性能源于适中的颗粒分数构建了刚性的承载骨架，同时保持了足够的基体连续性，从而同时提高了峰值载荷、平台水平和变形均匀性。在250°C时，基体软化缩小了峰值和平台水平的差异，因此以基体为主的HT-0SiC获得了相对较高的压溃力效率，尽管其SEA和σpl仍低于HT-4SiC。相比之下，富含颗粒的HT-8SiC获得了初始刚度，但其显著的模量失配加速了剪切带合并和块状压溃，这在两种热条件下都降低了SEA和σpl。总体而言，4 vol%的SiC分数通过有效的载荷传递和非贯穿的剪切带网络，最大限度地提高了能量耗散和稳定的载荷承载能力。
通过补充对比实验图可知，HT-4SiC双金属TPMS结构在室温和高温下的比能量吸收（SEA）分别比单体HT TPMS结构提高了7.8%和13.49%。同时，与过去两年报道的具有相似孔隙率的其他常见金属超材料相比，本研究提出的Janus-like双金属一体化设计策略成功地将AlSiFeMnNiMg的耐高温性与SiC增强AlSi10Mg的高强度集成到新兴的Gyroid TPMS架构中。这种协同作用使材料在变形过程中能够保持高、稳定且持久的应力平台。因此，我们的双金属超材料实现了前所未有的力学性能。HT-4SiC配置在室温和高温下均达到了超过30 J/g的SEA值，这些值显著高于具有可比孔隙率的单体铝合金制造的其他超材料。
三种点阵HT-0SiC、HT-4SiC和HT-8SiC在25°C和250°C下的变形和失效模式，以及通过有限元模拟获得的相应von Mises应力场演化表明，在25°C下，试样经历了从线性弹性到局部屈曲、逐层坍塌和最终致密化的多阶段序列。在HT-0SiC中，屈曲在节点处形核，薄壁过渡区沿45°剪切带以明显的带状失稳级联形式扩展。在HT-4SiC中，屈曲开始被延迟且在空间上更加弥散，平台上的应力波动显著减弱，表明更均匀的单胞间载荷共享。相比之下，HT-8SiC表现出强化的局域化。有限元应力图镜像了原位观察结果，一致地将高曲率鞍点和薄壁颈缩区域识别为应力集中核心。值得注意的是，HT-4SiC中的高应力区域呈现为离散的岛屿而非长程连接的带状，这与其更平滑的平台和更高的SEA一致。HT-8SiC中的连续应力链合理化了其更强的局域化倾向和更早的致密化阈值。加热至250°C后，HT-0SiC表现出降低的刚度和峰值载荷，但应力脉动减弱，平台更均匀，从而产生更高的压溃效率。HT-4SiC保持了最有利的平台承载和能量耗散，其应力场在节点和网状结构之间以点状带模式交替，抑制了早期贯穿厚度的剪切带，同时保持了骨架载荷能力，从而实现了从25°C到250°C的稳健性能保持。在HT-8SiC中，有限的颗粒软化加剧了与基体的模量和热膨胀失配，高应力链沿对角线排列并在界面和节点处累积，产生快速扩展的局域化和缩短的平台。
结论
本研究展示了一种Janus-like仿生、一体化3D打印双金属结构，该结构在服役相关温度下协调了热稳定性与高承载能力。通过定制的双料斗SLM工艺，将耐热AlSiFeMnNiMg合金与AlSi10Mg-xSiC（x = 0、4、8 vol%）共打印成TPMS点阵，产生了具有狭窄扩散区且无连续孔隙带的成分分区界面。多尺度表征和25°C及250°C下的原位SEM分析识别出对早期损伤敏感的纤细界面过渡区。当一侧局部屈曲或软化时，另一侧转移并桥接载荷，产生非贯穿的高应力簇，从而抑制损伤合并、延迟裂纹形成并稳定平台响应。
热力学测试揭示了一个成分-温度最优值。在测试温度范围内，4 vol% SiC最大化了能量吸收效率，提供了高于30 J g-1的高比能量吸收和约40 MPa的平台应力，在所有变体中最高的压溃力效率。从机理上看，适中的陶瓷分数构建了一个刚性但不连续的载荷传递网络，促进了分布式的剪切带形成并防止了应力渗透。相比之下，0 vol%依赖基体软化来提高压溃效率但提供的吸收能力较低，而8 vol%则因模量和热膨胀失配而加速了早期局域化和块状压溃。有限元模型再现了测量的应力-应变响应，从而验证了载荷转移机制。
这些发现通过调整SiC体积分数以最大化载荷转移而不形成应力渗透，为双金属结构巩固了可操作的设计规则，其中约4 vol%作为强度-吸收协同作用的稳健默认值。该方法易于扩展到由陶瓷增强合金制造的其他双金属结构，为航天器和卫星系统的轻型热防护和承载点阵提供了一条可扩展的途径。
