引用論文

Cai, Z., Yang, Z., Meng, L. et al. Characterization of Anisotropy in Additively Manufactured Materials through Instrumented Indentation Testing. Chin. J. Mech. Eng. 38, 13 (2025). https://doi.org/10.1186/s10033-024-01174-7

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研究背景及目的

增材制造，俗稱“3D 打印”，通過材料逐層添加堆積實現構件無模數字化成形，極大地拓寬了結構的可設計域與復雜結構的可制造性。作為先進制造領域的重要發展方向，增材制造技術近年來受到高度關注，其“高效靈活”的技術特點與航空零部件構型復雜、性能嚴苛、品種多、批量小的特性高度契合，在航空裝備的研制與生產等領域具有重大潛力。然而，打印過程中復雜的傳熱及熱彈塑性變形會導致構件力學性能的一致性與穩定性不足，影響部件的可靠性和設計精度。因此，亟需發展針對增材制造材料力學性能的高效測試方法。

傳統的增材制造構件力學性能檢測方法以拉伸/壓縮試驗為主雖然準確，但材料用量多、成本高，其測試結果不能反映構件力學性能的空間變化，并且無法實現力學性能的無損檢測，難以滿足打印構件控性的迫切需求。相比之下，儀器化壓痕實驗憑借無損性、局部性和可反應構件力學性能空間變化的特點，逐漸成為表征增材制造材料性能的重要手段。為增材制造構件力學性能的無損檢測提供了新的解決途徑，具有重大的科學研究意義。

Figure 1 Anisotropy of additively manufactured materials: (a, b) Optical observation of the 316L stainless steel specimens, and (c, d) SEM images of the Nickel-based high-temperature alloy (The specimens in (a) and (c) are prepared perpendicular to the building direction, while (b) and (c) are parallel to the building direction)

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試驗方法

本研究選取316L不銹鋼、AlSi10Mg鋁合金和TC4鈦合金三種金屬材料，采用選擇性激光熔化（SLM）技術在BLT-S210打印機上制備試樣，分別沿構建方向平行（XOZ）和垂直（XOY）方向打印，利用Zeiss Gemini 500場發射掃描電子顯微鏡（SEM）對試樣進行觀察，分析其微觀結構的各向異性特征。

Figure 2 The microstructure images of the three materials under investigation: (a) and (b) 316L stainless steel, (c) and (d) AlSi10Mg aluminum alloy, and (e) and (f) TC4 titanium alloy (The first row shows those perpendicular to the building direction, while the second row corresponds to the parallel direction)

壓痕實驗采用NANOVEA CB500微米力學綜合測試系統進行，采用136°維氏壓頭進行實驗，記錄載荷-位移曲線（P-h曲線），并利用原子力顯微鏡（AFM）對殘余壓痕形貌進行掃描分析。結合ABAQUS有限元分析軟件，建立包含Hill48屈服準則的各向異性本構模型，模擬壓痕實驗過程并提取壓痕響應（P-h曲線與殘余壓痕形貌）。通過全局收斂移動漸近線法（GCMMA），以實驗與仿真壓痕響應的誤差最小化為目標，逆向識別材料的各向異性參數，并擬合出應力-應變曲線。為驗證識別方法的準確性，對材料進行拉伸試驗，記錄應力-應變曲線并與擬合曲線進行對比分析，驗證方法的可靠性和準確性。

Figure 3 Indentation responses: (a) The comparison of the P?h curves of three materials and (b) residual indent profile scanned by AFM corresponding to 316L stainless steel

Figure 4 Finite element model of indentation test, meshes, boundary conditions and material coordinate used in the indentation simulation

Figure 5 Comparison of experimental and inverse identified stress-strain curves for three materials

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結果

與基于載荷-位移曲線（P-h曲線）的逆向識別方法相比，基于殘余壓痕形貌的逆向識別方法具有更高的準確性和收斂性，識別誤差小于5%，特別是在各向異性較弱的TC4鈦合金中，殘余壓痕方法的誤差保持在3%以內，而P-h曲線方法的誤差顯著偏離。

綜上，本研究表明，殘余壓痕形貌是表征增材制造材料各向異性的一種高效可靠的手段，可廣泛應用于增材制造工藝優化與性能設計。

Table 1 Optimization results and errors for the three materials under different initial values based on P?h curve

Table 2 Optimization results and errors for the three materials under different initial values based on residual indent profile

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結論

本研究提出了一種基于儀器化壓痕實驗的逆向識別方法，用于高效表征增材制造材料的各向異性力學性能。相比傳統的P-h曲線方法，基于殘余壓痕形貌的識別方法具有更高的準確性和穩定性，其誤差始終低于5%，即使在弱各向異性材料中亦表現優異。這種方法不僅提高了各向異性參數識別的效率，還顯著減少了實驗成本，為增材制造技術的性能優化和工藝設計提供了重要支持。

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前景與應用

本研究提出的基于儀器化壓痕實驗的逆向識別方法，可在航空航天、醫療和汽車等領域實現增材制造材料各向異性力學性能的快速表征。該方法顯著降低了實驗成本與復雜性，提高測試效率，有助于推動增材制造技術的持續發展和材料性能的精準檢測。此外，該技術還具有良好的推廣性，可擴展應用于其他材料體系，為智能制造和高端材料設計提供技術支持。

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關于作者

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作者團隊介紹

張衛紅（團隊帶頭人），中國科學院院士，國家杰出青年科學基金獲得者，入選新世紀百千萬人才工程、國防科技工業“511”人才工程。長期從事航空航天結構高性能設計理論與制造技術研究，為我國航空航天科技工業發展作出了突出貢獻。

孟亮（通訊作者），西北工業大學副教授、博導，中國機械工程學會機械設計分會委員。長期從事面向增材制造的航空航天結構輕量化設計基礎研究與工程應用研究。先后主持國家級項目5項、國防重點型號預研課題7項，累計發表學術論文30余篇，授權國家發明專利10余項。成果獲陜西省自然科學一等獎等省部級獎勵4項。入選中國科協青年人才托舉工程和西北工業大學“翱翔新星”，受邀擔任SCI期刊ADES編委和《航空工程進展》《航空發動機》等多個國內期刊青年編委。

蔡卓劭（第一作者），西北工業大學機電學院碩士研究生，主要從事增材制造的航空航天結構輕量化設計研究。

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作 者：蔡卓劭

責任編輯：謝雅潔

責任校對： 向映姣

審 核：張 強

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