Голяма новина! Съвместно постижение на Enigma, Нанкинския университет по наука и технология и Лисабонския университет: Биомиметичните зъбчати структури подобряват синергичната якост и пластичност на Inconel 625, произведен чрез CMT-WAAM.

Традиционно Inconel 625, изработен чрез CMT-WAAM, често се сблъсква с предизвикателства като нееднородна микроструктура, локализирана концентрация на деформация и трудността едновременно да се постигнат висока якост и добра пластичност. За преодоляване на това предизвикателство екип от Нанкинския университет по наука и технология е предложил биомиметична стратегия за проектиране на назъбена структура. Чрез синергично управление на геометричната структура и микроструктурните характеристики този подход подобрява работата на материала, като осигурява равномерно разпределение на деформацията.

Въз основа на горепосочения научноизследователски контекст съвместен екип от Нанкинския университет по наука и технология, заедно с партньори като Лисабонския университет (Португалия) и Enigma, публикува най-нова научна статия с заглавие „Подобряване на синергията между якост и пластичност при Inconel 625, произведен чрез CMT-WAAM, чрез биомиметична зигзагообразна хетероструктура“ в международния научен журнал Materials Science & Engineering A. https://doi.org/10.1016/j.msea.2026.150464в тази работа д-р Шен Цзяцзя и магистърът Хан Яньджун от Школата по наука и инженерство на материали при Нанкинския университет по наука и технология са съавтори с първостепенно значение; професорите Ван Кехонг и Чжан Йонг (също от същата школа) и професор Йоао Педро Оливейра от Лисабонския университет са съответстващи автори. Това изследване системно разяснява механизма, чрез който биомитетичната зигзагообразна хетероструктура подобрява синергията между якост и пластичност при CMT-WAAM Inconel 625.

1. Научен фон и значимост

CMT-WAAM комбинира ниския топлинен вход на процесите със студен метален пренос с високата ефективност на напръскване на материала при WAAM, което го прави идеален за бързо производство на големи метални компоненти. За никелови сплави като Inconel 625 тази технология предлага значителни предимства за подобряване на производствената ефективност и намаляване на производствените разходи.

Обаче при реалното производство множество термични цикли по време на процеса на напръскване, повторното стопяване на междинните слоеве и планирането на траекторията заедно оказват влияние върху формата на зърната, кристалографската ориентация и разпределението на локалните напрежения/деформации. Само оптимизирането на обичайните технологични параметри често прави трудно постигането едновременно на висока якост и висока пластичност. Следователно активното регулиране и контролиране на поведението на материала при деформация чрез дизайн на микроструктурата е станал важен подход за подобряване на общата производителност на сплавите, изработени чрез WAAM.

Йерархичните структури в природата, като например морски черупки, кости и назъбени интерфейси, често постигат изключителна устойчивост към повреди чрез механизми като „геометрично заключване, разпределение на деформацията и отклоняване на пукнатините“. Вдъхновени от тази биомиметична философия на проектиране, в настоящото изследване се създава зигзагообразна архитектура в CMT-WAAM Inconel 625, което предлага нов подход за микроструктурно проектиране, насочен едновременно към подобряване на якостта и пластичността на адитивно произвежданите сплави.

Фигура 1: Схематично представяне на концепцията за биомиметично зигзагообразно проектиране

2. Експериментални подробности

В настоящото изследване пробите от сплавта Inconel 625 са нанесени чрез процеса CMT-WAAM, а назъбена структура с пространствени вълнообразни отклонения е създадена чрез планиране на инструменталния път. Тази стратегия елиминира единичния равен свързващ интерфейс между слоевете и вместо това формира контролирани структурни единици както на макроскопично геометрично, така и на микроскопично структурно ниво.

За да се разкрие изчерпателно влиянието на структурния дизайн върху микроструктурата и характеристиките на сплавта Inconel625, в настоящото проучване се прилага мулти-мащабен подход за характеризация: еволюцията на микроструктурата се анализира чрез методи като оптична микроскопия, сканираща електронна микроскопия и електронна дифракция с обратно разсейване; механичните свойства се оценяват чрез изпитания на опън и фрактографски анализ; а чрез интегриране на локалните разлики в ориентацията, дислокационните структури и характеристиките на деформацията се изяснява по-нататък механизъмът, лежащ в основата на синергичното подобряване на якостта и пластичността на материала.

Фигура 2: Стратегия за нанасяне

3. Резултати и дискусия

3.1 Конструиране на биомитична зигзагообразна структура

В сравнение с конвенционалните праволинейни или равномерно слоисти структури зигзагообразната структура внася периодични завои и неравности на интерфейса по геометрия, създавайки области с различни локални отговори на деформация в материала. При опънна товарна сила между тези различни области възникват взаимно ограничение и съвместна деформация, което допринася за разпръсване на локалните концентрации на деформация.

Ключовият аспект на този структурен дизайн не е просто промяната на пътя на депозицията, а съвместното регулиране на режима на деформация чрез микроструктурни вариации, предизвикани от пътя на депозицията, и геометрични неравности. По този начин материалът може да постигне по-стабилно поведение при упрочняване под товар, като запазва общата си носима способност.

3.2 Микроструктурни характеристики

Микроструктурният анализ показва, че топлинният вход, повторното разтопяване между слоевете и вариациите в пътя по време на процеса CMT-WAAM заедно влияят върху морфологията на зърната и локалното разпределение на микроструктурата. Микроструктурните различия в областите с цигуларна структура осигуряват основа за деформация, което позволява по-богато разпределение на деформацията и натрупване на дислокации по време на процеса на деформация.

Струва си да се отбележи, че цигуларната структура не означава въвеждането на слаби интерфейси. Правилно проектиран цигуларен интерфейс може да подобри способността за предаване на товар чрез геометрично заключване и непрекъснатост на микроструктурата, като по този начин намалява риска от преждевременно разрушение в интерфейса.

Фигура 3: Схема на микроструктурните характеристики в био-вдъхновената цигуларна структура

3.3 Механични свойства при стайна температура

Механичните изпитвания показват, че био-вдъхновената зигзагообразна структура ефективно подобрява синергията между якост и пластичност при CMT-WAAM Inconel 625. В сравнение с конвенционалната равномерна структура зигзагообразната структура забавя пластичната нестабилност чрез подобрена локална координация на деформацията и способност за упрочняване при деформация, постигайки по-високи общи механични свойства.

Синергийното подобряване на якостта и пластичността е основен акцент на това проучване. По време на опънната деформация зигзагообразната структура може да промени пътя на еволюцията на деформацията, като позволява на различните области в материала да участват съвместно в пластичната деформация и по този начин да се избегне предварително концентриране на повреди в локални области.

Фигура 4: Синергийно подобряване на якостта и пластичността при CMT-WAAM Inconel 625

3.4 Механизъм на деформация

Анализът на механизма показва, че зигзагообразната структура може да предизвика по-сложна локална разпределена деформация и да насърчи съвместна деформация между меките и твърдите области в рамките на зигзагообразната структура. По време на деформация възникват взаимни ограничения между геометрично вълнообразните области и съседните микроструктурни области, което улеснява натрупването на дислокации, укрепването чрез обратно напрежение и подобрява способността за упрочняване при пластична деформация.

Този механизъм позволява на материала да не разчита повече изключително на равномерна пластична деформация при външно натоварване, а вместо това да поема деформацията чрез синергичното сътрудничество на множество области. В резултат материалът запазва добра пластичност, докато постига увеличена якост, което осигурява важна основа за интегрираното проектиране на структура и свойства в никелови сплави, произведени чрез CMT-WAAM.

Фигура 5: Схематично представяне на механизма на биомитичната зигзагообразна структура при регулиране на поведението при деформация

4. Заключение

Това изследване въвежда концепцията за биомиметично структурно проектиране в производството на сплав Inconel 625 чрез технологията CMT-WAAM и предлага нова стратегия за подобряване на синергията между якост и пластичност чрез зъбчато-серирана структура. Тази стратегия се отклонява от традиционния подход, който се основава изключително на оптимизиране на параметрите на процеса, и вместо това насочва вниманието към активен контрол върху деформационното поведение на материала чрез проектиране на структурни елементи.

Резултатите от изследването показват, че зъбчато-серираната структура може да подобри локалното разпределение на деформацията, да увеличи способността за координирана деформация между различните области и да повиши способността на материала за упрочняване при пластична деформация. Този механизъм помага да се намали типичният проблем с локализираната концентрация на деформация в адитивно произведени сплави, като по този начин се постига по-добро съчетание между якост и пластичност.

Това постижение не само обогатява изследванията върху механизми за подобряване на удара при никелови сплави, произведени чрез WAAM, но също така предоставя нови идеи за проектиране и технически препратки за високопроизводително адитивно производство на аерокосмически компоненти, енергийно оборудване и сложни големи метални компоненти.

5. Връзка към статията

Заглавие на статията: Подобряване на синергията между якост и пластичност при Inconel 625, произведен чрез CMT-WAAM, чрез био-вдъхновена зигзагообразна хетероструктура

Журнал: Materials Science & Engineering A

Автори: Y.J. Han, J.J. Shen, B.H. Zhang, S.Y. Yuan, W. Dong, Y. Cheng, L.L. Wu, Y. Peng, J.P. Oliveira, Y. Zhang, K.H. Wang

DOI:

https://doi.org/10.1016/j.msea.2026.150464