使用相互连接的凹坑薄板对Hastelloy X增强型超材料进行设计、增材制造和机械性能表征

《International Journal of Solids and Structures》：Design, additive manufacturing, and mechanical characterization of Hastelloy X auxetic metamaterials using interconnected dimpled sheets

　　

摘要

为了满足对轻质、具有能量吸收能力的结构组件的需求，人们越来越需要开发负泊松比（NPR）的机械超材料，这类材料具有独特的运动响应特性，能够提供更高的剪切韧性和断裂韧性。本研究探讨了一种新型三维晶格结构的机械响应和负泊松比特性，该结构由相互连接的凸起片材构成。使用Hastelloy X材料，通过激光粉末床熔融技术制备了具有4毫米、6毫米和8毫米离散波长的样品。通过数字图像相关（DIC）技术整合了拉伸实验来评估机械性能，而几何精度的评估则通过原位计算机断层扫描（CT）完成。实验数据表明，结构波长与超材料的极限承载能力之间存在负相关关系：4毫米结构在承受最大约99千牛的载荷时出现了显著塑性变形，但未达到负泊松比，因为较高的弯曲刚度导致了正泊松比。相反，8毫米和6毫米结构在较低峰值载荷下突然失效，但表现出稳定的负泊松比特性。CT扫描分析明确显示，几何精度与机械一致性之间存在关联，偏离名义厚度的程度严重降低了负泊松比机制的稳定性和效果。全场运动映射结果证实，8毫米结构的横向膨胀在固体边界处造成了严重的顺应性不匹配，从而导致多轴剪切失效。最终，拓扑尺度严格决定了负泊松比效应的激活阈值，而局部材料堆积则使得原本具有顺应性的结构容易发生早期失效。

引言

近年来，增材制造（AM），特别是激光粉末床熔融（LPBF）技术，已成为生产具有高几何柔韧性和材料效率的复杂组件的关键方法（Sossou等人，2018年）。这一技术进步促进了具有定制机械性能的复杂超材料的物理实现（Zadpoor，2016年）。与传统在单轴拉伸载荷下会发生横向收缩的均匀材料不同，负泊松比（NPR）或负泊松比结构在拉伸时会横向膨胀，在压缩时则会收缩，这种运动特性是由内部拓扑结构控制的（Lakes，2017年）。这种独特的机械响应赋予了这些材料更高的剪切阻力、断裂韧性以及更出色的机械能量耗散能力（Evans和Alderson，2000年）。因此，这些特性使得这类材料适用于高级航空航天结构、能量吸收装置和专门的生物医学植入物（Cai等人，2022年；Ren等人，2018年；Balan等人，2023年）。然而，将NPR超材料从理论模型转化为实际可承载载荷的金属材料目前受到LPBF工艺固有物理限制的阻碍，包括飞溅物产生、蒸发、快速固化等问题（King等人，2015年）。这一限制在制造固溶强化超级合金（如Hastelloy X）时尤为明显（Tomus等人，2016年）。

尽管Hastelloy X因抗氧化性、镍基体的固溶强化以及通过M6C和M12C等富钼碳化物的沉淀形成的抗蠕变强度而在燃气轮机行业得到广泛应用，但该材料仍容易产生各种制造缺陷（Reed，2006年；Wang等人，2011年；Wu等人，2023年；用于涡轮盘应用的超级合金，2006年）。在LPBF过程中，剧烈的温度梯度和快速冷却速率会导致碳化物沿晶界形成细小的树枝状结构和微偏析（Wei等人，2025年；Zhang等人，2024年）。这些晶界碳化物的形成会导致局部结构薄弱，当受到打印过程中产生的较大残余应力时，容易发生热撕裂和微裂纹（Platl等人，2022年；Jia等人，2025年）。传统的负泊松比结构，包括凹形蜂窝或手性晶格，依赖于尖锐的内部角度、复杂的节点交叉点以及孤立的节点来实现机械旋转（Spadoni和Ruzzene，2012年；Dirrenberger等人，2013年；Yang等人，2023年）。这些尖锐的几何特征在激光照射过程中会成为局部热沉和应力集中点，加剧了合金积累残余应力和热裂纹的倾向（Chen等人，2020年；Jones等人，2021年）。为了克服这种尖锐角度超材料的制造局限性，本研究探讨了一种由相互连接的正弦波形凸起片材组成的新型三维（3D）晶格设计。这种凸起结构提供了数学上连续的轮廓，有助于在LPBF过程中实现均匀的激光路径和更好的热传递，有效降低了局部过热和热撕裂的风险（Laskar等人，2025年；Qin等人，2023年；Qin等人，2024年）。在单轴载荷作用下，这些宏观凸起会协调地变平，从而产生一致的横向膨胀响应（Javid等人，2015年）。

从几何学角度来看，本研究中使用的3D凸起片材结构是对近期研究的二维和三维互连正弦波网络的自然扩展（Li等人，2023年；Zhou等人，2026年；Lei等人，2026年）。虽然开放式支柱正弦波设计能有效缓解节点应力集中，但在多轴载荷下仍容易发生局部屈曲和扭转。通过从孤立的支柱转变为连续的相互连接的片材，这种设计显著提高了平面外的稳定性和应力分布的均匀性。尽管这类凸起NPR系统的理论变形机制已通过数值模拟得到验证（Javid等人，2015年；Pozniak等人，2013年；Choi和Park，2023年；Wang等人，2016年），但关于易开裂镍基超级合金的实验数据仍然较少。在金属增材制造领域，这些NPR结构的制备和机械性能评估仍相对不足（Yang等人，2023年；Shunshun和Zhao，2025年）。为了充分利用这些结构的优势，有必要详细研究其几何精度、材料响应和工艺变量。此外，现有文献中尚未建立预期数字参数、实际制造精度与最终局部运动特性之间的定量关系。

为了弥补这一不足，本研究的主要目标是：（1）利用工业LPBF工艺，算法生成并制造出近乎完全致密的Hastelloy X基3D凸起NPR超材料；（2）通过高分辨率计算机断层扫描（CT）验证实际制作的内部结构，量化厚度差异和孔隙率分布；（3）通过循环拉伸实验和全场数字图像相关（DIC）技术，研究宏观和局部的负泊松比行为。通过将基于CT的制造数据与基于DIC的应变分布进行对比，本研究阐明了拓扑尺度和工艺诱导的不规则性对金属系统中负泊松比机制稳定性的影响。这些结果有助于在苛刻环境中应用这种应力缓解结构。最终，本研究的核心科学贡献在于深入理解工艺诱导的几何差异和边界约束如何控制金属负泊松比结构的宏观激活和失效机制，从而弥合了理论运动学与实际载荷应用之间的关键差距。本工作的结构进展在图1中进行了展示。

章节摘录

材料选择与实验框架

为了系统评估Hastelloy X负泊松比超材料的性能，采用了结合数字设计、物理制造和多尺度表征的集成工作流程，如图2所示的示意图。选择Hastelloy X作为高强度基材，这种镍-铬-铁-钼超级合金在燃气轮机行业因具有优异的高温机械变形抗性和抗氧化性而被广泛应用（

几何精度分析与机械性能相关性

图9a-c展示了用于评估建造尺寸偏差和几何精度的内部结构渲染图，包括3D体积模型、平面截面图和局部厚度图。利用获得的CT数据，通过测量4毫米、6毫米和8毫米部件测量部分的厚度差异（CAD与CT测量结果对比）来进行几何精度的评估。结果偏差分布如图10a-c所示。

设计意义与失效机制

与现有的金属负泊松比结构相比，所提出的凸起结构的变形路径显示出其独特的机械优势。传统的凹形结构主要依赖于局部支柱的弯曲，这会在内部接头处产生严重的应力集中和早期失效（Jiang等人，2022年）。相比之下，手性结构通过节点旋转实现负泊松比效应，但这种机制使它们容易发生横向屈曲（

结论与展望

本研究设计并表征了一种由Hastelloy X材料通过LPBF工艺制成的新型3D负泊松比超材料。通过系统的评估得出了以下基本结论：

•

NPR效应的验证： 凸起晶格拓扑有效产生了负泊松比效应。具体而言，8毫米波长的结构在所有加载阶段都表现出明显且均匀的负泊松比效应，

CRediT作者贡献声明

Seyed Ali Delbari：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿编写，可视化，验证，软件开发，方法论研究，数据分析，概念构思。Mohamed Amine Ben Abdallah：撰写——审稿与编辑，可视化，验证，软件开发，方法论研究，数据分析，概念构思。Taylor Robertson：撰写——审稿与编辑，验证，软件开发，方法论研究，数据分析，概念构思。Sébastien Lalonde：

写作过程中使用生成式AI和AI辅助技术的声明

在准备本文时，作者使用了 Gemini Pro 3.5 工具来辅助语法、拼写、标点符号和句子结构的优化，提高了文本的清晰度和流畅性。使用该工具/服务后，作者根据需要进行审查和编辑，并对发表文章的内容负全责。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或可能影响本文研究的个人关系。

致谢

本研究得到了Mitacs Accelerate-Cluster Program（IT13369）、Siemens Energy Canada以及加拿大自然科学与工程研究委员会（NSERC）在Discovery Grant（RGPIN-2019-05973）项目下的支持。作者衷心感谢Siemens Energy团队提供的有益讨论、见解和资源，特别是Mitch Kibsey、Rudy Chang和Ali Shanian的帮助。

Seyed Ali Delbari|Mohamed Amine Ben Abdallah|Taylor Robertson|Sébastien Lalonde|David Backman|Max Campbell|Lucas A. Hof