采用激光粉末床熔融技术制造的Inconel 718晶格结构在Z型加强筋作用下的拓扑驱动压缩行为

《Journal of Materials Research and Technology》：Topology-Driven Compressive Behavior of Inconel 718 Lattice Structures with Z-Strut Reinforcement Fabricated by Laser Powder Bed Fusion

　　姜泰勋|朴素妍|海尔·霍尔德|杨东勋|孙永浩|赵恒镇|金南亨|李基安
韩国浦项工业科学技术研究院（RIST）分析与评估中心，37673

**摘要**
本研究探讨了通过激光粉末床熔融（LPBF）技术制造的Inconel 718晶格结构的压缩变形行为和机械性能。设计了四种单元晶胞拓扑结构——体心立方（BCC）、面心立方（FCC）、BCCZ和FCCZ——单元晶胞尺寸均为3毫米，并在相同的工艺条件下进行制造，以分离拓扑结构的影响。测得的相对密度范围为14.65%至17.72%。压缩测试表明，带有Z型支柱加固的拓扑结构（BCCZ：54.6 MPa；FCCZ：80.2 MPa）表现出比未加固结构更高的强度，这可能与Z型支柱垂直排列所实现的混合模式变形行为有关。有限元模拟和数字图像相关（DIC）分析支持了从BCC/FCC的节点主导变形到BCCZ/FCCZ的混合模式变形的转变。这些发现表明，单元晶胞拓扑结构是定制LPBF晶格结构变形机制的关键设计变量。

**1. 引言**
多孔结构因其能够在保持低密度和优异导热性的同时实现高比刚度、高强度和能量吸收能力而受到广泛认可[1]、[2]、[3]。在多孔结构中，非随机（周期性）晶格结构特别具有优势，因为它们的机械性能可预测且可调，在相似密度下优于随机结构[1]。这些周期性结构在生物医学、汽车和航空航天应用中受到了广泛关注，因为在这些领域，高性能与轻量化设计至关重要。
增材制造（AM）技术的引入，特别是激光粉末床熔融（LPBF），使得前所未有的设计自由度成为可能，可以高精度地生产复杂几何形状[4]、[5]。LPBF工艺通过逐层堆积来制造复杂的金属晶格结构，并能够精确控制单元晶胞的拓扑结构、尺寸和孔隙率[6]、[7]。尽管LPBF在设计自由度和尺寸精度方面具有显著优势，但也存在一些挑战，包括对激光参数的敏感性、倾斜支柱的表面粗糙度以及相对密度与机械性能之间的权衡[4]、[5]、[6]、[7]。已有报道指出，LPBF制造的晶格结构已成功应用于多种合金，包括钛合金[8]、[9]、形状记忆合金[10]、铝硅铸造合金[11]和不锈钢[12]、[13]。
Inconel 718是一种沉淀强化的镍基超级合金，由于其出色的高温机械性能、抗氧化性和抗蠕变性能，在涡轮发动机部件中得到广泛应用[14]、[15]。然而，由于其低导热性和高硬度，其加工难度较大[16]。LPBF已成为制造致密Inconel 718部件的可行方法。最近的研究强调了LPBF能够实现的微观结构特征和机械性能，如外延晶粒生长、柱状微观结构以及制造状态下的良好延展性[17]、[18]。进一步的研究表明，热处理可以显著改善微观结构特征和机械性能，使LPBF制造的样品的性能更接近锻造材料[19]、[21]。
大多数关于LPBF晶格结构的研究主要使用由大量单元晶胞组成的样品来研究宏观机械行为，这掩盖了局部拓扑诱导的变形效应。尽管这些研究提供了关于整体机械性能的宝贵信息[11]、[22]、[23]、[24]、[25]、[26]，但它们并未明确说明特定单元晶胞拓扑结构如何影响变形机制。仅有少数研究探讨了连续多晶格涂层或亚晶粒控制策略对机械性能的影响[27]、[28]。此外，关于LPBF制造的Inconel 718晶格的压缩变形行为的研究，尤其是小尺度下单元晶胞拓扑结构的纯影响，明显不足[2]、[29]、[30]。特别是在航空发动机部件的高温气体流动部分或涡轮叶片等应用中，复杂的基于晶格的轻量化结构可能会积累局部变形，导致应力集中和渐进性微裂纹形成，最终导致整个结构的过早失效[31]、[32]、[33]。因此，必须在小单元晶胞尺度上分离这些变形和损伤机制，这是实际应用此类部件的关键评估步骤[3]、[34]。
晶格结构的机械性能很大程度上取决于其变形模式是弯曲主导还是拉伸主导。根据Gibson-Ashby模型[34]，具有更高连通性的晶格结构（例如带有垂直加固支柱的晶格）更倾向于以拉伸主导的方式变形，从而提高刚度和强度。这种拉伸主导的行为在轻量化结构应用中特别理想，因为它能够实现更高的比刚度和强度，减少应力集中，并在复杂载荷条件下提供更可预测的性能[34]。即使支柱方向或包含物的微小变化也会显著改变机械响应。此外，引入垂直加固支柱是一种直接且实用的设计策略，无需复杂的拓扑优化即可轻松实现，非常适合LPBF等增材制造工艺。然而，在减小尺度（少数单元晶胞）水平上的明确实验验证非常罕见。
为填补这一空白，本研究探讨了特定晶格拓扑结构（BCC、FCC及其垂直加固变体BCCZ和FCCZ，图1）如何直接影响LPBF制造的Inconel 718晶格结构的压缩变形行为。通过制造单元晶胞数量有限的晶格样品，本研究明确分离了单元晶胞几何形状——特别是Z型支柱和支柱方向角——对变形和失效机制的作用。实验观察结果进一步得到了基于Gibson-Ashby模型的理论预测的支持，并通过有限元分析（FEA）进行了补充。尽管之前的几项研究已经使用FEA来研究晶格变形行为[4]、[5]，但将实验结果与这些理论和数值分析相结合，可以全面深入地理解单元晶胞尺度上的变形过程。

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**图1. 本研究中考察的单元晶胞结构：**
(a) BCC；
(b) BCCZ；
(c) FCC；
(d) FCCZ

总体而言，本研究针对小尺度晶格结构中拓扑驱动的变形机制的考察方法填补了一个重要的知识空白。研究结果清楚地表明了微妙的拓扑变化如何深刻影响机械响应，为通过LPBF制造的先进轻量化晶格结构的设计策略提供了依据。以往的研究主要集中在由大量单元晶胞组成的大尺度晶格上，其中局部拓扑对变形机制的影响往往被平均结构效应所掩盖。相比之下，本研究在单元晶胞尺度上分离了Z型支柱加固的作用，从而直接观察到了LPBF制造的Inconel 718晶格中的拓扑驱动变形转变。这种结合实验和数值的方法为局部几何加固如何修改机械响应提供了独特的视角，这在之前的研究中很少被提及。
此外，选择Inconel 718作为基材是因为它是一种广泛应用于航空航天和能源部件的镍基超级合金，需要高强度和热稳定性。其在LPBF工艺中的良好加工性和微观结构可靠性使得可以一致地比较不同拓扑效应，而不受材料特定工艺变化的影响。这使得Inconel 718成为研究高温晶格应用中拓扑驱动变形机制的实用且具有代表性的材料。
因此，本研究旨在通过实验测试和有限元分析相结合的方法，阐明BCC、FCC及其Z型支柱加固变体的机械行为和变形机制。

**2. 实验方法**
**2.1. 材料**
本研究中使用的起始材料是商业化的Inconel 718粉末（SLM Solutions Group AG，德国吕贝克）。根据ASTM B215-15标准，对粉末进行了取样以检查其性能。使用场发射扫描电子显微镜（FE-SEM，TESCAN MIRA3）检查了粉末的形态和微观结构。使用激光衍射粒度分析仪（Beckman Coulter LS? 13 320）测量了粉末的粒度分布。粉末形态接近球形，粒度分布的D90值为34.7 μm，如图2(a)和(b)所示。

**图2.**
(a) Inconel 718粉末的扫描电子显微镜图像；
(b) 通过激光衍射仪测得的Inconel 718粉末粒度分布；
(c) 激光扫描策略的示意图

**图3. 本研究中考察的4种不同增材制造的Inconel 718微晶格结构的宏观视图**

**2.2. LPBF工艺和参数**
在本研究中，使用SLM? 125HL（SLM Solutions Group AG，德国吕贝克）制造了尺寸为24 × 24 × 24 mm3的Inconel 718单元晶胞晶格结构，共有四种配置（BCC、FCC、BCCZ和FCCZ）。晶格几何形状使用SolidWorks（Dassault Systèmes，法国）设计；理论体积是根据名义支柱直径和单元晶胞几何形状计算得出的，理论相对密度是通过将支柱体积除以边界体积得到的。制造的晶格的尺寸和物理性能见表1。

**表1. LPBF制造的Inconel 718微晶格结构的尺寸和物理性能**
| 单元晶胞结构 | 单元晶胞尺寸（mm） | 支柱直径（mm） | X、Y、Z方向的单元晶胞数量 | 体积（mm3） | 理论相对密度 | 相对于加载方向的支柱倾斜角度（°） | 支柱与加载方向的对齐情况 |
|---|-----------|--------------|-----------------|-----------------|------------------|------------------|---|
| BCC | 30.65 | 8 | 1,113 | 8.05 | 35.3 | 否 | |
| BCCZ | 30.65 | 8 | 1,389 | 10.05 | 90.05 | 是 | |
| FCC | 30.65 | 8 | 2,200 | 8.91 | 45 | 否 | |
| FCCZ | 30.65 | 8 | 1,489 | 10.77 | 90.05 | 是 | |

SLM? 125HL使用连续波Yb光纤激光器（波长1,070 nm），光斑尺寸约为70 μm。所有晶格结构和构建板之间使用了块状支撑，薄连接板（厚度：0.2 mm）用于连接块状支撑和晶格结构，以减轻构建过程中的热应力集中。在去除支撑后的线切割电火花加工中，未观察到明显由支撑配置引起的缺陷。Inconel 718晶格层压在Inconel 718构建板上，并预热至100°C。为了防止氧化，LPBF设备腔在LPBF过程中保持Ar环境中氧气浓度低于0.1%。晶格结构采用条纹（核心）和轮廓扫描策略制造，条纹宽度为10 mm，相邻层之间旋转17°，如图2(c)所示。条纹扫描的工艺参数包括激光功率200 W和扫描速度900 mm/s（体积能量密度约55 J/mm3）。轮廓扫描的激光功率为125 W，扫描速度为450 mm/s（体积能量密度约93 J/mm3），间隙间距为0.1 mm，层厚为0.03 mm。这些报告的值对应于不同的曝光区域，因此在与文献中报告的单一体积能量密度进行比较时应分别解释。未应用独立的表层（上表层/下表层）参数集；轮廓参数用于表层曝光。鉴于名义支柱直径为0.65 mm，预计大部分支柱横截面积主要由轮廓曝光形成。一般来说，较高的激光功率或较低的扫描速度会增加体积能量密度并促进致密化，但如果过度则可能引起孔洞孔隙；能量密度不足会导致熔合缺陷、球化和不均匀的支柱厚度。间隙间距控制熔池重叠，并影响内部孔隙率和支柱表面形态[17]、[19]。条纹扫描的体积能量密度约55 J/mm3处于之前研究中报道的LPBF Inconel 718的优化范围内[17]、[19]，确保了稳定的熔化和致密化同时最小化缺陷。所有四种晶格类型都在相同的工艺条件下制造，以分离晶格拓扑对机械性能的影响。此后，LPBF制造的晶格结构称为LPBF Inconel 718。

**2.3. 结构和微观特征表征**
晶格样品的相对密度（ρ/ρs）使用基于悬浮液的阿基米德法（RADWAG AS-R系列）进行测量。样品在空气中称重，并通过细金属丝固定浸入蒸馏水中；固体体积通过浮力校正的质量差除以蒸馏水的密度计算得出。样品在测量前预先浸入蒸馏水中30分钟以促进润湿。这种基于悬浮液的测量方法用于估计开放孔隙晶格的有效固体体积，以便进行相对密度的比较评估。由于无法保证液体完全渗透到所有孔隙通道中，因此报告的相对密度值应被视为有效的比较值，而不是绝对密度。为了观察晶格结构的微观结构，样品被切割并进行了热导电安装。样品使用SiC #400至#2000进行机械抛光，然后使用1 μm金刚石膏进行镜面抛光。抛光后的样品使用乙醇通过超声波清洗，然后在热气流下干燥。2.4. 压缩测试和DIC分析使用线切割电火花加工（Wire EDM）对晶格样品进行切割，从单次构建中获得了多个压缩样品，以确保施加的载荷在机器容量范围内。尽管线切割电火花加工部分截断了边界支柱，但这种条件在所有四种拓扑结构中都是一致的。每个压缩测试在相同条件下进行了三次，以获得统计一致性，平均值和标准差分别列在表2和表3中。表2. Inconel 718晶格结构的测量相对密度（ρ/ρs）样品 测量相对密度（%） 相对密度百分比误差（%）BCC 15.37±0.14 5 1.07BCCZ 17.72±0.13 5 6.71FCC 14.65±0.24 5 5.34FCCZ 16.77±0.25 6 2.41表3. Inconel 718晶格结构的压缩性能样品 压缩屈服强度 [MPa] 压缩测试样品中的节点数BCC 10.6±0.78 80BCCZ 54.6±1.18 80FCC 30.7±1.31 76FCCZ 80.2±3.7 1762.5. 有限元建模与分析使用ANSYS Mechanical 2022R1（静态结构模块）进行了有限元分析。测试样品是根据与实验压缩样品匹配的名义CAD尺寸重建的。使用十节点四面体元素（SOLID187）来表示弯曲的支柱几何形状。应用的平均网格尺寸为0.12毫米，大约是名义支柱直径（0.65毫米）的五分之一，确保在支柱横截面上至少有五个元素。网格细化研究（元素尺寸：0.12 → 0.06毫米）确认峰值冯·米塞斯应力变化小于3%，证明了数值收敛性。商业Inconel 718的物理属性（密度：8.19 g/cm3，杨氏模量：205 GPa，泊松比：0.294）被指定为材料属性。边界条件与实验压缩测试的条件相匹配。应当注意的是，该模型是使用名义CAD几何形状构建的，并假设了线性弹性材料行为；制造过程中引起的偏差，如支柱直径变化、表面粗糙度和局部孔隙率并未被明确考虑在内。因此，FEA结果应被视为相对应力分布和变形模式的定性指标，而不是绝对应力大小的定量预测。3. 微观结构和力学分析3.1. 相对密度和缺陷分布图4显示了LPBF Inconel 718晶格样品的测量相对密度。测量值（14.65–17.72%）显著高于表1中列出的理论值（8.05–10.77%），后者基于名义CAD几何形状。这种差异可能与部分熔化的粉末颗粒在支柱表面的粘附有关，这可能会使实际构建的支柱直径超过名义值，以及逐层沉积过程中固有的波纹表面轮廓。需要注意的是，本研究没有进行定量几何验证，例如直接测量支柱直径。因此，这些解释仍然是解释性的，应在考虑到这一限制的情况下进行考虑。BCCZ和FCCZ的测量值与理论值之间的较大差异与Leary等人[20]报告的含有Z型支柱的Inconel 625晶格的趋势一致，尽管确切机制需要进一步研究。表2展示了测量相对密度（ρ/ρs）的范围，从14.65%到17.72%。在相同的LPBF条件下，BCCZ的测量相对密度最高，这与构建的支柱形态和有效相对密度的拓扑依赖性差异一致。下载：下载高分辨率图像（698KB）下载：下载全尺寸图像图4. Inconel 718晶格结构的测量相对密度（ρ/ρs）值支柱结构的表面形态（图5）显示出轻微的工艺诱导表面特征，包括部分熔化的粉末颗粒和与逐层LPBF沉积一致的波纹轮廓。下载：下载高分辨率图像（748KB）下载：下载全尺寸图像图5. 构建的Inconel 718微晶格结构的代表性支柱表面图6显示了LPBF制造的Inconel 718晶格的横截面SEM图像。观察到的微观结构由多个重叠的熔池组成，这是激光扫描过程中局部熔化和快速固化的特征。如图6(a–c)所示，观察到一些典型的缺陷——孔隙率、部分熔化的颗粒和偶尔出现的未熔合空洞——但在任何样品中都没有检测到固化裂纹。这些缺陷已知会影响LPBF零件的机械完整性，尽管在本研究中的比例很小。使用二值阈值对SEM横截面进行定量图像分析后发现，所有晶格的总孔隙率均低于0.5%：BCC为0.38%，BCCZ为0.26%，FCC为0.42%，FCCZ为0.30%。这些值在LPBF Inconel 718合金的典型缺陷范围内，证实了没有固化裂纹的存在，并证明了所有晶格拓扑的高制造质量。下载：下载高分辨率图像（614KB）下载：下载全尺寸图像图6. （a-c）构建的晶格结构的横截面FE-SEM图像，以及（d-e）高倍率的细胞结构图7沿垂直于BD（具有不同倾斜角度的支柱表面）的平面分析了构建的LPBF Inconel 718晶格的微观结构。分析结果显示，LPBF Inconel 718的微观结构是由随机取向的颗粒组成的多晶体，具有不规则的形态。这种不规则形态是由于LPBF过程中经历的复杂热历史造成的，包括快速加热和冷却速率以及重复的熔化和固化循环。颗粒的随机取向是由于LPBF过程中缺乏优先生长方向所致。在结构表面可以看到各种粗大的颗粒，而在其边缘可以看到较小的颗粒。这些较小颗粒的形成与邻近颗粒的存在有关（如图7(a)和(b)所示）。下载：下载高分辨率图像（993KB）下载：下载全尺寸图像图7. 构建的Inconel 718微晶格结构横截面的代表性IPF（Inverse Pole Fig.）图；(a) BCC，(b) FCC和(c) Z型支柱3.2. 常温压缩性能每种晶格的压缩测试结果分别在图8和表3中展示。BCCZ和FCCZ结构表现出比未增强型更高的初始刚度和压缩强度，表明对齐的Z型支柱除了弯曲外还促进了部分轴向载荷传递。BCCZ和FCCZ相比BCC和FCC更高的测量相对密度也贡献了它们更好的机械性能。值得注意的是，这些结构在应力-应变曲线的初始（弹性）区域显示出更急剧的上升，表明在弹性范围内对施加的载荷有更大的抗变形能力。下载：下载高分辨率图像（189KB）下载：下载全尺寸图像图8. LPBF Inconel 718晶格结构的工程压缩应力-应变曲线3.3. 压缩下的变形行为压缩测试期间拍摄的DIC图像提供了与每种晶格拓扑相关的失效模式的定性见解（图9）。BCC表现出大致均匀的应变分布，直到致密化都保持相对一致，这与以弯曲为主的崩塌一致。FCC在大约45°于加载方向的高剪切应力平面上显示出更强的剪切相关应变局部化。BCCZ和FCCZ表现出明显不同的行为：变形分布在节点和Z型支柱上，表现出明显的塑性，这与混合模式变形一致，在这种模式下Z型支柱除了弯曲外还承担部分轴向载荷。在所有拓扑中，2%应变时的应变分布相对均匀；随着应变增加到10–30%，拓扑特定的差异变得更加明显。下载：下载高分辨率图像（270KB）下载：下载全尺寸图像图9. 包括2%应变、10%应变、20%应变和30%应变的微晶格的图形总结。3.4. 应力分布和FEM比较图10展示了在2%至30%压缩应变范围内晶格结构内的有限元（FEA）预测的冯·米塞斯应力分布。当前模拟是在线性弹性假设下进行的，旨在不是预测绝对应力大小，而是定性验证实验观察到的变形模式。尽管在这个假设下无法完全表示弹性范围之外的塑性变形（高达约30%的应变），但FEA仍然提供了关于不同晶格拓扑之间相对应力分布和载荷传递机制的宝贵见解。网格细化研究（元素尺寸：0.12 → 0.06毫米）确认峰值应力变化小于3%，证明了数值收敛性，并确保观察到的应力趋势在物理上是有意义的。在初始应变水平，观察到高冯·米塞斯应力主要分布在节点上，而不是在BCC和FCC结构的支柱内。在较低应变水平下，高应力在节点上的局部化可以归因于几何特征、节点连接性和载荷传递机制等因素。然而，随着应变的增加，高应力区域不仅分布在节点上，还分布在支柱上。这一趋势与上述DIC和压缩测试的实验观察结果在定性上一致，支持Z型支柱有助于沿构建方向更有效地传递载荷的解释。因此，当前的FEA结果应被视为变形行为的相对和定性指标，而不是塑性应力大小的定量预测。模拟的应力重新分布表明，添加的Z型支柱除了弯曲外还促进了部分轴向载荷传递，这与从实验观察中推断出的混合模式变形一致。在BCC和FCC晶格模型中，冯·米塞斯应力集中在节点上，随着应变的增加，支柱的弯曲变得更加明显，这与它们的弯曲主导响应和应力-应变曲线中的长平台区域一致（图8）。然而，从模拟结果来看，利用节点主导和混合模式变形的概念来区分BCC、FCC、BCCZ和FCCZ晶格结构的变形行为。当高冯·米塞斯应力主要分布在晶格结构的节点上时（在BCC和FCC中），而不是集中在支柱内，发生节点主导的变形。在BCCZ和FCCZ中，高冯·米塞斯应力分布在节点和支柱上，表明Z型支柱除了弯曲外还促进了部分轴向载荷传递，这是BCC和FCC拓扑的混合模式变形。在BCCZ和FCCZ晶格结构中，冯·米塞斯应力在晶格模型内的分布在不同应变水平上最为不均匀，表明应力在整个晶格结构中分布不均。在Z型支柱区域一致观察到较高的冯·米塞斯应力集中，表明它们在载荷重新分配和增强晶格拓扑的变形中起着关键作用。如3.1节相对密度和缺陷分布和3.3节压缩下的变形行为中所观察到的，引入垂直Z型支柱增加了测量相对密度，并使压缩强度增加了五倍以上（例如，从BCC的10.6 MPa增加到BCCZ的54.6 MPa），使变形模式向混合模式转变。这些结果表明，加入对齐的Z型支柱可以显著提高压缩强度，同时改变LPBF Inconel 718晶格的变形模式。这一趋势与之前关于Ti-6Al-4V [29]和Inconel 625 [20]通过LPBF制造的晶格系统的报告一致。当以相对强度（σ/σs）进行归一化时，这些值与Gibson–Ashby框架大致一致，表明拓扑对变形行为的定性影响与文献中报道的几个LPBF晶格系统的趋势一致。为了提供密度增加和Z型支柱拓扑相对贡献的背景，使用Gibson–Ashby缩放关系对同一实验数据集进行了事后估计（m ≈ 1.27，C ≈ 0.42）：对于BCC→BCCZ，测量的密度增加（+15.3%）预测大约24%的强度增益，而实际观察到的增加大约为415%；对于FCC→FCCZ（密度+14.4%），模型预测大约22%，而实际观察到的增加大约为161%。这些显著较大的实验值表明，Z型支柱的载荷路径几何结构对强度的提升贡献远超单纯密度增加所能预测的效应，尽管在本研究中无法实现完全的划分。Maxwell试图通过定义单元格的刚度来定量预测压缩失效模式，其公式为(1)：其中s是支柱的数量，n是节点的数量。根据Maxwell数(Δs/Δn)，如果Δs/Δn < 0，则支柱数量不足以在不对节点产生补偿力矩的情况下平衡外力，从而导致支柱发生弯曲应力，表现为弯曲主导的变形。如果Δs/Δn > 0，则外力通过轴向拉伸和压缩得到平衡，使结构呈现拉伸主导的特性[4]。本研究中的所有四种拓扑结构的Maxwell数都小于0（表4），因此预测它们将表现出弯曲主导的变形行为。

表4. 本研究考察的Inconel 718微晶格的Maxwell数

| 单元格结构 | Maxwell数 |
|------------------|-------------|
| BCC-1389 | < 0 |
| BCCZ-9129 | < 0 |
| FCC-1416 | < 0 |
| FCCZ-1020 | < 0 |

实验拟合的Gibson–Ashby指数m约为1.27，介于弯曲（m = 1.5）和拉伸（m = 1.0）的范围内，这表明虽然所有拓扑结构都符合Maxwell数标准表现为弯曲主导，但添加Z型支柱后，变形响应趋向于一种比纯弯曲更高效的混合模式。

相对强度可以根据Gibson-Ashby模型[34]计算得出，即晶格结构的压缩强度与基材（本研究中使用的LPBF制造的Inconel 718合金的压缩强度为1,059 MPa）的比值：(2)：
\[ \sigma_{\text{relative}} = \frac{\sigma_{\text{lattice}}}{\sigma_{\text{base}} \times \left(1 - \left(\frac{s}{n}\right)^{m/2}} \]
其中，\(\alpha\)是形状因子常数（0.1–1.0），m分别为1.5（弯曲主导）和1（拉伸主导）。图11将实验结果与理论上的Gibson–Ashby关系进行了比较。实际构建的晶格结构的压缩行为介于弯曲主导和拉伸主导之间，拟合得到的指数约为1.27（\(\alpha\)约为0.42）。这表明当前晶格的变形行为更接近于混合模式，而不仅仅是纯粹的弯曲主导。当压缩行为以弯曲为主时，通常会观察到恒定的平台应力，这在BCC和FCC晶格中得到了明显体现，BCCZ晶格中也部分观察到这种现象。在弯曲主导的变形过程中，单元格中的支柱会发生塑性变形，从而实现连续的弹性或塑性响应直至断裂。在结构坍塌后，应力相对稳定，直到开始致密化过程。根据Gibson和Ashby的理论，在应力-应变曲线（图8）中，脆性材料可能会表现出连续的应力振荡；而发生压碎失效的晶格则表现出低幅度的振荡；而在压缩过程中发生45°剪切断裂的晶格则表现出高幅度的振荡。

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图11. 相对密度（ρ/ρs）与相对强度（σ/σs）的关系及拟合的Gibson-Ashby模型

注：m = 1.0和m = 1.5的线条代表Gibson–Ashby模型的理论界限，而实验拟合得到的结果约为1.27（\(\alpha\)约为0.42），表明变形行为介于弯曲和拉伸之间。

**结论**
本研究通过激光粉末床熔融工艺制备了Inconel 718晶格结构（BCC、BCCZ、FCC、FCCZ），得出以下结论：
1. 在相同的LPBF条件下，测得的相对密度范围从14.65%（FCC）到17.72%（BCCZ），表明不同拓扑结构的支柱形态和有效相对密度存在差异。实际测得的相对密度显著高于理论密度（8.05–10.77%），这可能与部分熔化的粉末颗粒之间的粘附以及逐层沉积过程中产生的起伏表面轮廓有关，但由于缺乏直接的支柱直径测量数据，这些解释仍具有解释性。
2. 压缩应力-应变曲线展示了晶格结构典型的行为特征。BCCZ和FCCZ晶格结构的压缩强度分别达到了54.6 MPa和80.2 MPa，高于BCC和FCC结构。这些结果表明BCCZ和FCCZ晶格具有更优越的承载能力。然而，尽管相对密度较高，但由于FCC型晶格中的支柱方向更加倾斜（约45°），导致载荷传递路径更高效，BCC和BCCZ结构的强度却低于FCC和FCCZ结构。
3. 垂直的Z型支柱似乎将变形从节点主导的响应转变为混合模式响应，从而有助于提高压缩强度。
4. 未来的工作将探索优化分级晶格配置，并结合Z型支柱增强手段，以实现更高的强度重量比。此外，还将研究高温和循环载荷条件下的机械行为，并评估多材料LPBF工艺在先进混合晶格结构中的应用可行性。

**未引用参考文献**[35]

**作者贡献声明**
Tae-Hoon Kang：撰写——原始草稿、概念构思、实验研究。
So-Yeon Park：撰写——审阅与编辑。
Holder Hyer：方法论设计。
Dong-Hoon Yang：实验研究、数据管理。
Yongho Sohn：资源协调、监督。
HangJin Jo：实验研究。
Namhyeong Kim：数据管理。
Kee-Ahn Lee：概念构思、监督、撰写——审阅与编辑、资金争取。

**声明与披露**
作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文所述的研究工作。

**资助**
本研究得到了韩国国家研究基金会（NRF）的资助，资金由韩国政府（MSIT）提供（项目编号：NRF-2022R1A5A1030054和NRF-RS-2023-00281508）。