Große Neuigkeit! Eine gemeinsame Leistung von Enigma, der Nanjing University of Science and Technology und der Universität Lissabon: Biomimetische gezackte Strukturen verbessern die synergistische Festigkeit und Duktilität von CMT-WAAM-Inconel-625.

Traditionell weist Inconel 625, das mittels CMT-WAAM hergestellt wird, häufig Herausforderungen wie eine inhomogene Mikrostruktur, lokale Verformungskonzentrationen sowie die Schwierigkeit auf, gleichzeitig hohe Festigkeit und gute Duktilität zu erreichen. Um diese Herausforderung anzugehen, hat ein Team der Nanjing University of Science and Technology eine biomimetische gezackte Struktur-Designstrategie vorgeschlagen. Durch die synergistische Steuerung der geometrischen Struktur und der mikrostrukturellen Merkmale verbessert dieser Ansatz die Leistung des Materials, sodass sich die Verformung gleichmäßig anpasst.

Auf der Grundlage des oben genannten Forschungshintergrunds veröffentlichte ein gemeinsames Team der Nanjing University of Science and Technology zusammen mit Partnern wie der Universität Lissabon (Portugal) und Enigma kürzlich einen Forschungsartikel mit dem Titel „Enhancing strength-ductility synergy in CMT-WAAM Inconel 625 via a bio-inspired zigzag heterostructure“ in der internationalen Fachzeitschrift Materials Science & Engineering A. https://doi.org/10.1016/j.msea.2026.150464in dieser Arbeit sind Dr. Shen Jiajia und der Masterstudent Han Yanjun von der Fakultät für Materialwissenschaft und -technik der Nanjing University of Science and Technology die gemeinsamen Erstautoren; Professoren Wang Kehong und Zhang Yong (ebenfalls von derselben Fakultät) sowie Professor Joao Pedro Olivelia von der Universität Lissabon sind die gemeinsamen Korrespondenzautoren. Diese Studie klärt systematisch den Mechanismus auf, durch den die biomimetische Zickzack-Heterostruktur die Synergie aus Festigkeit und Duktilität des CMT-WAAM-Inconel-625-Werkstoffs verbessert.

1. Forschungshintergrund und Bedeutung

CMT-WAAM kombiniert die geringe Wärmezufuhr von Kaltmetallübertragungsverfahren mit der hohen Abscheideeffizienz von WAAM und eignet sich daher ideal für die schnelle Herstellung großformatiger metallischer Komponenten. Für Nickelbasislegierungen wie Inconel 625 bietet diese Technologie erhebliche Vorteile hinsichtlich der Steigerung der Fertigungseffizienz und der Senkung der Produktionskosten.

In der tatsächlichen Fertigung beeinflussen jedoch mehrere thermische Zyklen während des Abscheidungsprozesses, das Aufschmelzen der Zwischenschichten sowie die Bahnplanung gemeinsam die Kornmorphologie, die kristallographische Orientierung und die lokale Spannungs-/Dehnungsverteilung. Die alleinige Orientierung an einer konventionellen Optimierung der Prozessparameter führt häufig nicht dazu, gleichzeitig hohe Festigkeit und hohe Duktilität zu erreichen. Daher ist die gezielte Regelung und Kontrolle des Werkstoffverformungsverhaltens mittels mikrostruktureller Gestaltung zu einem wichtigen Ansatz zur Verbesserung der Gesamtleistung von durch WAAM hergestellten Legierungen geworden.

Hierarchische Strukturen in der Natur, wie Muschelschalen, Knochen und gezackte Grenzflächen, erreichen häufig eine ausgezeichnete Schadensresistenz durch Mechanismen wie „geometrisches Verzahnen, Dehnungsverteilung und Rissablenkung“. Unter Anlehnung an diese biomimetische Gestaltungsphilosophie entwickelt diese Studie eine Zickzack-Architektur im CMT-WAAM-Inconel-625 und bietet damit einen neuen mikrostrukturellen Gestaltungsansatz zur gleichzeitigen Steigerung von Festigkeit und Duktilität additiv gefertigter Legierungen.

Abbildung 1: Schema des bio-inspirierten Zickzack-Struktur-Konzepts

2. Experimentelle Details

In dieser Studie wurden Inconel-625-Legierungsproben mittels des CMT-WAAM-Verfahrens abgeschieden, wobei durch gezielte Werkzeugpfadplanung eine gezackte Struktur mit räumlichen Wellen erzeugt wurde. Diese Strategie eliminiert die einzelne flache Haftgrenzfläche zwischen den Schichten und bildet stattdessen steuerbare strukturelle Einheiten sowohl auf makroskopisch-geometrischer als auch auf mikroskopisch-struktureller Ebene.

Um den Einfluss des strukturellen Designs auf Mikrostruktur und Eigenschaften der Inconel625-Legierung umfassend aufzudecken, verwendet diese Studie einen multispektralen Charakterisierungsansatz: Die mikrostrukturelle Entwicklung wird mittels Techniken wie Lichtmikroskopie, Rasterelektronenmikroskopie und Elektronen-Rückstreu-Beugung analysiert; mechanische Eigenschaften werden durch Zugversuche und bruchmechanische Analyse bewertet; und durch die Integration lokaler Orientierungsunterschiede, Versetzungsstrukturen sowie Verformungseigenschaften wird der Mechanismus hinter der synergistischen Steigerung von Festigkeit und Duktilität des Materials weiter aufgeklärt.

Abbildung 2: Auftragungsstrategie

3. Ergebnisse und Diskussion

3.1 Konstruktion einer biomimetischen Zickzack-Struktur

Im Vergleich zu herkömmlichen geradlinigen oder gleichmäßig geschichteten Strukturen führt die Zickzack-Struktur periodische Krümmungen und Oberflächenwellungen in der Geometrie ein, wodurch Bereiche mit unterschiedlichen lokalen Verformungsantworten innerhalb des Materials entstehen. Unter Zugbelastung treten zwischen diesen verschiedenen Bereichen gegenseitige Verformungsbehinderung und kooperative Verformung auf, wodurch lokale Dehnungskonzentrationen besser verteilt werden.

Der Schlüssel dieses strukturellen Designs liegt nicht allein in der Modifikation des Abscheidungspfads, sondern vielmehr in der gemeinsamen Steuerung des Verformungsmodus durch pfadinduzierte mikrostrukturelle Variationen und geometrische Wellungen. Auf diese Weise kann das Material ein stabileres Verfestigungsverhalten erreichen, ohne dabei seine gesamte Tragfähigkeit einzubüßen.

3.2 Mikrostrukturelle Merkmale

Die mikrostrukturelle Analyse zeigt, dass die Wärmezufuhr, das Aufschmelzen der Zwischenschichten und die Pfadvariationen während des CMT-WAAM-Prozesses gemeinsam die Kornmorphologie und die lokale mikrostrukturelle Verteilung beeinflussen. Die mikrostrukturellen Unterschiede in den zickzackförmigen Bereichen bilden die Grundlage für Verformung und ermöglichen eine umfangreichere Dehnungsverteilung sowie ein verstärktes Versetzungsanlagerungsverhalten während des Verformungsprozesses.

Es ist anzumerken, dass die zickzackförmige Struktur nicht die Einführung schwacher Grenzflächen impliziert. Eine gezielt gestaltete zickzackförmige Grenzfläche kann die Lastübertragungsfähigkeit durch geometrisches Verzahnung und mikrostrukturelle Kontinuität verbessern und dadurch das Risiko eines vorzeitigen Versagens an der Grenzfläche verringern.

Abbildung 3: Schema der mikrostrukturellen Merkmale in der biomimetischen zickzackförmigen Struktur

3.3 Mechanische Eigenschaften bei Raumtemperatur

Mechanische Eigenschaftstests zeigen, dass die biomimetische Zickzack-Struktur die Synergie aus Festigkeit und Duktilität des CMT-WAAM-Inconel-625 wirksam verbessert. Im Vergleich zu einer herkömmlichen gleichmäßigen Struktur verzögert die Zickzack-Struktur die plastische Instabilität durch eine verbesserte lokale Dehnungskoordination und eine erhöhte Verfestigungsfähigkeit und erreicht dadurch überlegene Gesamteigenschaften.

Die synergetische Steigerung von Festigkeit und Duktilität ist ein zentrales Ergebnis dieser Studie. Während der Zugdeformation kann die Zickzack-Struktur den Verlauf der Dehnungsentwicklung verändern, wodurch verschiedene Bereiche innerhalb des Materials gemeinsam an der plastischen Verformung teilnehmen und eine vorzeitige Schädigungskonzentration in lokalen Bereichen vermieden wird.

Abbildung 4: Synergetische Steigerung von Festigkeit und Duktilität bei CMT-WAAM-Inconel-625

3.4 Verformungsmechanismus

Die Mechanismusanalyse zeigt, dass die Zickzack-Struktur eine komplexere lokale Spannungsverteilung induzieren und eine kooperative Verformung zwischen den weichen und harten Bereichen innerhalb der Zickzack-Struktur fördern kann. Während der Verformung treten gegenseitige Zwangsbedingungen zwischen den geometrisch wellenförmigen Bereichen und den angrenzenden mikrostrukturellen Bereichen auf, wodurch sich Versetzungsansammlungen, Rückspannungsverfestigung und eine verbesserte Verfestigungsfähigkeit einstellen.

Dieser Mechanismus ermöglicht es dem Werkstoff, bei äußerer Belastung nicht mehr ausschließlich auf eine gleichmäßige plastische Verformung angewiesen zu sein, sondern die Dehnung stattdessen durch die synergetische Zusammenarbeit mehrerer Bereiche zu kompensieren. Dadurch behält der Werkstoff eine gute Duktilität bei, während gleichzeitig eine erhöhte Festigkeit erreicht wird; dies bildet eine wichtige Grundlage für das integrierte Design von Struktur und Eigenschaften bei CMT-WAAM-Nickelbasislegierungen.

Abbildung 5: Schema des Mechanismus der biomimetischen Zickzack-Struktur zur Steuerung des Verformungsverhaltens

4. Schlussfolgerung

Diese Studie führt das biomimetische Konstruktionskonzept in die Herstellung der CMT-WAAM-Inconel-625-Legierung ein und schlägt eine neuartige Strategie zur Verbesserung der Synergie zwischen Festigkeit und Duktilität mittels einer gezahnten Struktur vor. Diese Strategie verlässt den herkömmlichen Ansatz, der allein auf der Optimierung der Prozessparameter beruht, und betont stattdessen die gezielte Steuerung des Verformungsverhaltens des Materials durch die Gestaltung struktureller Einheiten.

Die Forschungsergebnisse zeigen, dass die gezahnte Struktur die lokale Dehnungsverteilung verbessern, die koordinierte Verformungsfähigkeit zwischen verschiedenen Bereichen erhöhen und die Verfestigungskapazität des Materials steigern kann. Dieser Mechanismus trägt dazu bei, das verbreitete Problem der lokalen Dehnungskonzentration in additiv gefertigten Legierungen abzumildern und ermöglicht so eine bessere Abstimmung von Festigkeit und Duktilität.

Diese Leistung bereichert nicht nur die Forschung zu den Zähigkeitssteigerungsmechanismen von WAAM-Nickellegierungen, sondern liefert auch neue Konzepte für das Design sowie technische Referenzen für die hochleistungsfähige additiv gefertigte Herstellung von Luft- und Raumfahrtkomponenten, Energietechnikgeräten und komplexen großformatigen metallischen Bauteilen.

5. Artikel-Link

Artikel-Titel: Steigerung der Festigkeits-Duktilitäts-Synergie in CMT-WAAM-Inconel-625 mittels einer biologisch inspirierten zickzackförmigen Heterostruktur

Fachzeitschrift: Materials Science & Engineering A

Autoren: 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