Velká zpráva! Společné úspěchy společnosti Enigma, univerzity Nanjing University of Science and Technology a univerzity v Lisabonu: biomimetické pilovité struktury zvyšují synergickou pevnost a tažnost Inconel 625 vyrobeného metodou CMT-WAAM.

Tradičně vyráběný Inconel 625 metodou CMT-WAAM často vykazuje problémy, jako je nehomogenní mikrostruktura, lokální koncentrace deformace a obtížné současné dosažení vysoké pevnosti a dobré tažnosti. K řešení tohoto problému navrhla tým z Nanjing University of Science and Technology biomimetickou strategii návrhu pilovité struktury. Tento přístup, který synergicky řídí jak geometrickou strukturu, tak mikrostrukturní charakteristiky, zvyšuje výkon materiálu a umožňuje rovnoměrnou deformaci.

Na základě výše uvedeného výzkumného kontextu společný tým z Nanjing University of Science and Technology spolu s partnery, mezi něž patří University of Lisbon (Portugalsko) a Enigma, publikoval nejnovější výzkumný článek s názvem „Zvyšování synergického účinku pevnosti a tažnosti u CMT-WAAM Inconel 625 prostřednictvím bioinspirované heterostruktury se zubatým tvarem“ v mezinárodním časopise Materials Science & Engineering A. https://doi.org/10.1016/j.msea.2026.150464v této práci jsou spolu-prvními autory doc. Shen Jiajia a magisterský student Han Yanjun ze Školy materiálových věd a inženýrství na Nanjing University of Science and Technology; spolu-korespondenčními autory jsou prof. Wang Kehong, prof. Zhang Yong (oba také ze stejné školy) a prof. Joao Pedro Olivelia z Univerzity v Lisabonu. Tato studie systematicky objasňuje mechanismus, díky němuž bioinspirovaná zubatá heterostruktura zvyšuje synergii pevnosti a tažnosti u materiálu CMT-WAAM Inconel 625.

1. Výzkumné pozadí a význam

CMT-WAAM kombinuje nízký tepelný příkon procesů studeného přenosu kovu (CMT) s vysokou účinností nanesení materiálu při aditivní výrobě kovových součástí (WAAM), čímž se stává ideální pro rychlou výrobu velkorozměrových kovových komponent. U niklových slitin, jako je Inconel 625, tato technologie nabízí významné výhody z hlediska zvyšování výrobní efektivity a snižování výrobních nákladů.

Avšak v reálném výrobě více tepelných cyklů během procesu usazování, přetavení mezi vrstvami a plánování dráhy společně ovlivňují morfologii zrn, krystalografickou orientaci a rozložení místního napětí/napřížení. Spolehnutí pouze na tradiční optimalizaci procesních parametrů často ztěžuje současné dosažení jak vysoké pevnosti, tak vysoké tažnosti. Proto se aktivní regulace a řízení chování materiálu při deformaci prostřednictvím návrhu mikrostruktury stalo důležitým přístupem ke zlepšení celkového výkonu slitin vyrobených metodou WAAM.

Hierarchické struktury v přírodě, jako jsou například ulity, kosti a pilovité rozhraní, často dosahují vynikající odolnosti vůči poškození prostřednictvím mechanismů jako „geometrické zaklenutí, rozdělení deformace a odchýlení trhlin“. Čerpaje inspiraci z této biomimetické návrhové filozofie, tato studie vytváří zubatou architekturu v materiálu CMT-WAAM Inconel 625, čímž poskytuje nový mikrostrukturní návrhový přístup k současnému zvyšování pevnosti i tažnosti slitin vyrobených aditivními technologiemi.

Obrázek 1: Schéma konceptu návrhu bioinspirované zubaté struktury

2. Experimentální podrobnosti

V této studii byly vzorky slitiny Inconel 625 vytvořeny metodou CMT-WAAM a pilovitá struktura se prostorovými vlnitostmi byla vytvořena plánováním dráhy nástroje. Tento přístup eliminuje jediné rovné spojovací rozhraní mezi vrstvami a místo toho vytváří řiditelné strukturální jednotky jak na makroskopické geometrické, tak na mikroskopické strukturální úrovni.

Aby byl komplexně odhalen vliv konstrukčního návrhu na mikrostrukturu a vlastnosti slitiny Inconel625, používá tato studie přístup víceskalové charakterizace: vývoj mikrostruktury je analyzován pomocí technik jako optická mikroskopie, rastrovací elektronová mikroskopie a elektronová zpětná rozptylová difrakce; mechanické vlastnosti jsou hodnoceny prostřednictvím tahových zkoušek a fraktografické analýzy; a integrací lokálních rozdílů orientace, dislokačních struktur a deformacních charakteristik je dále objasněn mechanismus synergického zvyšování pevnosti a tažnosti materiálu.

Obrázek 2: Strategie nanášení

3. Výsledky a diskuse

3.1 Konstrukce bioinspirované zubaté struktury

Ve srovnání se zvyšujícími se přímými nebo rovnoměrně vrstvenými strukturami způsobuje zubatá struktura periodické záhyby a nerovnosti rozhraní v geometrii, čímž v materiálu vytváří oblasti s různými lokálními odpověďmi na deformaci. Při tahovém zatížení dochází mezi těmito různými oblastmi k vzájemnému omezení a kooperativní deformaci, čímž se pomáhá rozptýlit lokální koncentrace deformace.

Klíčem k tomuto konstrukčnímu řešení není pouze změna dráhy usazování, ale společné řízení režimu deformace prostřednictvím mikrostrukturních změn vyvolaných dráhou a geometrických nerovností. Tímto způsobem může materiál dosáhnout stabilnějšího chování při tvárném zpevnění, aniž by ztratil svou celkovou nosnou kapacitu.

3.2 Mikrostrukturní charakteristiky

Mikrostrukturní analýza ukazuje, že tepelný vstup, přetavení mezi vrstvami a změny dráhy během procesu CMT-WAAM společně ovlivňují morfologii zrn a lokální rozložení mikrostruktury. Mikrostrukturní rozdíly v oblastech se zubatým („zigzag“) uspořádáním poskytují základ pro deformaci, což umožňuje bohatší rozdělení deformace a akumulaci dislokací během deformačního procesu.

Je třeba poznamenat, že zubaté („zigzag“) uspořádání neznamená zavedení slabých rozhraní. Správně navržené zubaté rozhraní může zvýšit schopnost přenosu zatížení díky geometrickému zaklesnutí a kontinuitě mikrostruktury, čímž se snižuje riziko předčasného selhání na rozhraní.

Obrázek 3: Schéma mikrostrukturních charakteristik bioinspirované zubaté („zigzag“) struktury

3.3 Mechanické vlastnosti za pokojové teploty

Mechanické zkoušky ukazují, že bioinspirovaná zubatá struktura efektivně zlepšuje synergii pevnosti a tažnosti u materiálu CMT-WAAM Inconel 625. Ve srovnání se standardní rovnoměrnou strukturou zubatá struktura oddaluje plastickou nestabilitu prostřednictvím zvýšené lokální koordinace deformace a schopnosti tvrdit se při deformaci, čímž dosahuje výjimečných celkových mechanických vlastností.

Synergické zlepšení pevnosti a tažnosti je klíčovým poznatkem této studie. Během tahové deformace může zubatá struktura změnit průběh vývoje deformace, což umožňuje různým oblastem materiálu společně účinně se podílet na plastické deformaci a tak zabránit předčasnému soustředění poškození v místních oblastech.

Obrázek 4: Synergické zlepšení pevnosti a tažnosti u materiálu CMT-WAAM Inconel 625

3.4 Mechanismus deformace

Analýza mechanismu ukazuje, že zubatá struktura může vyvolat složitější lokální rozložení deformace a podporovat kooperativní deformaci mezi měkkými a tvrdými oblastmi uvnitř zubaté struktury. Během deformace dochází k vzájemným omezením mezi geometricky vlnitými oblastmi a sousedními mikrostrukturními oblastmi, čímž se usnadňuje akumulace dislokací, zpevnění zpětným napětím a zvýšená schopnost tvárného zpevnění.

Tento mechanismus umožňuje materiálu již nezáviset výhradně na rovnoměrné plastické deformaci při působení vnějšího zatížení, nýbrž deformaci přizpůsobit synergickou spoluprací více oblastí. Výsledkem je, že materiál zachovává dobrou tažnost a zároveň dosahuje vyšší pevnosti, což poskytuje důležitý základ pro integrovaný návrh struktury a vlastností niklových slitin vyrobených metodou CMT-WAAM.

Obrázek 5: Schéma mechanismu bioinspirované zubaté struktury při regulaci chování při deformaci

4. Závěr

Tato studie zavádí koncept biomimetického strukturálního návrhu do výroby slitiny Inconel 625 pomocí techniky CMT-WAAM a navrhuje novou strategii pro zlepšení synergického účinku mezi pevností a tažností prostřednictvím pilovité struktury. Tato strategie odchází od tradičního přístupu, který se spoléhá výhradně na optimalizaci procesních parametrů, a místo toho zdůrazňuje aktivní řízení chování materiálu při deformaci prostřednictvím návrhu strukturálních jednotek.

Výsledky výzkumu ukazují, že pilovitá struktura může zlepšit lokální rozložení deformace, posílit schopnost koordinované deformace mezi různými oblastmi a zvýšit schopnost materiálu zpevňovat se při deformaci. Tento mechanismus pomáhá zmírnit běžný problém lokální koncentrace deformace u slitin vyrobených aditivním způsobem, čímž se dosahuje lepšího vyvážení mezi pevností a tažností.

Toto dosažení nejen obohacuje výzkum mechanizmů ztužování niklových slitin vyrobených metodou WAAM, ale také poskytuje nové návrhové myšlenky a technické reference pro výrobu vysokovýkonných kovových součástí pro letecký a kosmický průmysl, energetická zařízení a složité velkorozměrové komponenty pomocí aditivních technologií.

5. Odkaz na článek

Název článku: Zvýšení synergického účinku pevnosti a tažnosti u slitiny Inconel 625 vyrobené metodou CMT-WAAM prostřednictvím biologicky inspirované heterostruktury ve tvaru zubaté čáry

Časopis: Materials Science & Engineering A

Autoři: 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