خبر بزرگ! دستاورد مشترک انیگما، دانشگاه علوم و فناوری نان‌جینگ و دانشگاه لیسبون: ساختارهای دندانه‌دار بیومیمتیک، استحکام همکارانه و شکل‌پذیری CMT-WAAM اینکونل ۶۲۵ را بهبود می‌بخشند.

به‌طور سنتی، اینکونل ۶۲۵ ساخته‌شده با روش CMT-WAAM اغلب با چالش‌هایی مانند ریزساختار ناهمگن، تمرکز موضعی کرنش و دشواری در دستیابی همزمان به مقاومت بالا و شکل‌پذیری خوب مواجه است. برای رفع این چالش، تیمی از دانشگاه علوم و فناوری نانجینگ استراتژی طراحی ساختار دندانه‌ای الهام‌گرفته از طبیعت را پیشنهاد کرده است. این رویکرد با کنترل هماهنگ ساختار هندسی و ویژگی‌های ریزساختاری، عملکرد ماده را به‌گونه‌ای بهبود می‌بخشد که تغییر شکل به‌صورت یکنواخت انجام شود.

با توجه به زمینه تحقیقاتی فوق، تیم مشترکی از دانشگاه علوم و فناوری نانجینگ، همراه با شرکایی از جمله دانشگاه لیسبون (پرتغال) و شرکت انیگما، آخرین مقاله تحقیقاتی خود را با عنوان «افزایش هماهنگی مقاومت و شکل‌پذیری در اینکونل ۶۲۵ ساخته‌شده با روش CMT-WAAM از طریق ساختار ناهمگن زیگزاگ الهام‌گرفته از طبیعت» در مجله بین‌المللی علوم مواد و مهندسی A منتشر کرده‌اند. https://doi.org/10.1016/j.msea.2026.150464در این پژوهش، دکتر شن جیاجیا و دانشجوی کارشناسی ارشد هان یانجون از دانشکده علوم و مهندسی مواد دانشگاه علوم و فناوری نان‌جینگ به‌عنوان نویسندگان اول مشترک این مقاله عمل کرده‌اند؛ استادان وانگ که‌هونگ، ژانگ یونگ (همچنین از همین دانشکده) و استاد جائو پدرو اولیویلیا از دانشگاه لیسبون به‌عنوان نویسندگان مسئول مشترک این مطالعه معرفی شده‌اند. این پژوهش به‌صورت سیستماتیک مکانیسمی را که در آن ساختار ناهمگن زیگ‌زاگ الهام‌گرفته از طبیعت، هماهنگی بین استحکام و شکل‌پذیری در فرآیند CMT-WAAM آلیاژ اینکونل ۶۲۵ را ارتقا می‌دهد، روشن می‌سازد.

۱. زمینه و اهمیت پژوهش

فرآیند CMT-WAAM ترکیبی از ورودی حرارتی پایین فرآیندهای انتقال فلز سرد (CMT) و بازده بالای رسوب‌گذاری فرآیند WAAM است و بنابراین برای ساخت سریع قطعات فلزی بزرگ‌مقیاس ایده‌آل می‌باشد. برای آلیاژهای نیکلی مانند اینکونل ۶۲۵، این فناوری مزایای قابل‌توجهی در بهبود کارایی تولید و کاهش هزینه‌های تولید ارائه می‌دهد.

با این حال، در تولید واقعی، چرخه‌های حرارتی متعدد در طول فرآیند رسوب‌گذاری، ذوب مجدد لایه‌های میانی و برنامه‌ریزی مسیر به‌طور مشترک بر شکل‌گیری دانه‌ها، جهت‌گیری کریستالوگرافی و توزیع تنش/کرنش محلی تأثیر می‌گذارند. اتکا صرفاً به بهینه‌سازی پارامترهای فرآیندی مرسوم اغلب باعث می‌شود که دستیابی همزمان به استحکام بالا و شکل‌پذیری بالا دشوار باشد. بنابراین، تنظیم و کنترل فعال رفتار تغییر شکل مواد از طریق طراحی ساختار ریز (میکروساختار) به یک رویکرد مهم برای بهبود عملکرد کلی آلیاژهای ساخته‌شده با روش WAAM تبدیل شده است.

ساختارهای سلسله‌مراتبی در طبیعت، مانند صدف‌ها، استخوان‌ها و رابط‌های نشکن، اغلب از طریق مکانیزم‌هایی مانند «قفل‌شدن هندسی، توزیع کرنش و انحراف ترک» به تحمل عالی آسیب دست می‌یابند. با الهام از این فلسفه طراحی بیومیمتیک، این پژوهش یک معماری زیگزاگی در آلیاژ Inconel 625 ساخته‌شده با فرآیند CMT-WAAM ایجاد می‌کند و رویکردی جدید برای طراحی ریزساختار ارائه می‌دهد که به‌طور هم‌زمان استحکام و شکل‌پذیری آلیاژهای ساخته‌شده با روش افزودنی را بهبود می‌بخشد.

شکل ۱: نمای کلی مفهوم طراحی ساختار زیگ‌زاگ الهام‌گرفته از طبیعت

۲. جزئیات آزمایشی

در این پژوهش، نمونه‌های آلیاژ اینکونل ۶۲۵ با استفاده از فرآیند CMT-WAAM رسوب داده شدند و ساختاری دندانه‌دار با نوسانات فضایی از طریق برنامه‌ریزی مسیر ابزار ایجاد گردید. این راهبرد سطح اتصال تخت و منفرد بین لایه‌ها را حذف می‌کند و به‌جای آن واحدهای ساختاری قابل کنترلی را در سطوح هندسی کلان و ساختاری خرد ایجاد می‌نماید.

برای افشای جامع تأثیر طراحی ساختاری بر ریزساختار و ویژگی‌های آلیاژ اینکونل۶۲۵، این مطالعه از رویکرد چندمقیاسی مشخصه‌یابی استفاده می‌کند: تکامل ریزساختار با استفاده از روش‌هایی مانند میکروسکوپ نوری، میکروسکوپ الکترونی روبشی و پراش الکترونی پشت‌نشسته مورد تحلیل قرار می‌گیرد؛ خواص مکانیکی از طریق آزمون کششی و تحلیل شکست‌نگاری ارزیابی می‌شوند؛ و با ادغام تفاوت‌های جهت‌گیری محلی، ساختارهای نابجایی و ویژگی‌های تغییرشکل، مکانیسم زیربنایی بهبود هم‌زمان مقاومت و شکل‌پذیری در این ماده بیشتر روشن می‌شود.

شکل ۲: استراتژی رسوب‌گذاری

۳. نتایج و بحث

۳.۱ ساخت ساختار زیگ‌زاگ الهام‌گرفته از طبیعت

در مقایسه با ساختارهای مسیر مستقیم متعارف یا لایه‌بندی یکنواخت، ساختار زیگزاگی با ایجاد انحناءهای دوره‌ای و ناهمواری‌های رابط در هندسه، مناطقی با پاسخ‌های تغییر شکل محلی متفاوت را درون ماده ایجاد می‌کند. تحت بار کششی، محدودیت متقابل و تغییر شکل همکارانه بین این مناطق مختلف رخ می‌دهد و بدین ترتیب به پراکندگی تمرکزهای کرنش محلی کمک می‌کند.

کلید این طراحی ساختاری صرفاً در تغییر مسیر رسوب‌گذاری نیست، بلکه در تنظیم مشترک حالت تغییر شکل از طریق تغییرات ریزساختاری ناشی از مسیر و ناهمواری‌های هندسی قرار دارد. به این ترتیب، ماده می‌تواند رفتار سخت‌شدن کاری پایدارتری را به دست آورد، در حالی که ظرفیت کلی تحمل بار آن حفظ می‌شود.

۳٫۲ ویژگی‌های ریزساختاری

تحلیل ریزساختار نشان می‌دهد که ورودی حرارت، ذوب مجدد لایه‌ها و تغییرات مسیر در فرآیند CMT-WAAM به‌صورت توأمان بر ریخت‌شناسی دانه‌ها و توزیع محلی ریزساختار تأثیر می‌گذارند. تفاوت‌های ریزساختاری موجود در نواحی با ساختار زیگزاگ، پایه‌ای برای تغییر شکل فراهم می‌کنند و امکان تقسیم غنی‌تر کرنش و تجمع نابجایی‌ها را در طول فرآیند تغییر شکل فراهم می‌سازند.

قابل توجه است که ساختار زیگزاگ به معنای ایجاد رابط‌های ضعیف نیست. یک رابط زیگزاگ طراحی‌شده به‌درستی می‌تواند ظرفیت انتقال بار را از طریق قفل‌شدن هندسی و پیوستگی ریزساختاری افزایش دهد و بدین ترتیب خطر شکست زودهنگام در رابط را کاهش دهد.

شکل ۳: نمای کلی ویژگی‌های ریزساختاری در ساختار زیگزاگ الهام‌گرفته از طبیعت

۳٫۳ خواص مکانیکی در دمای اتاق

آزمون‌های خواص مکانیکی نشان می‌دهند که ساختار زیگ‌زاگ الهام‌گرفته از طبیعت به‌طور مؤثری هماهنگی بین استحکام و شکل‌پذیری در روش CMT-WAAM از آلیاژ Inconel 625 را بهبود می‌بخشد. در مقایسه با ساختار یکنواخت مرسوم، ساختار زیگ‌زاگ از طریق بهبود هماهنگی کرنش محلی و توانایی سخت‌شدن کاری، ناپایداری پلاستیک را به تأخیر می‌اندازد و بدین ترتیب خواص مکانیکی کلی برتری را حاصل می‌کند.

تقویت همزمان استحکام و شکل‌پذیری، نکتهٔ محوری این پژوهش است. در حین تغییرشکل کششی، ساختار زیگ‌زاگ مسیر تحول کرنش را تغییر می‌دهد و امکان مشارکت همزمان نواحی مختلف درون ماده در تغییرشکل پلاستیک را فراهم می‌سازد؛ بنابراین از تمرکز زودهنگام آسیب در نواحی محلی جلوگیری می‌شود.

شکل ۴: تقویت همزمان استحکام و شکل‌پذیری در روش CMT-WAAM از آلیاژ Inconel 625

۳٫۴ مکانیسم تغییرشکل

تحلیل مکانیزم نشان می‌دهد که ساختار زیگزاگ می‌تواند توزیع کرنش محلی پیچیده‌تری ایجاد کند و تغییر شکل همکارانه بین نواحی نرم و سخت درون ساختار زیگزاگ را تقویت کند. در طول تغییر شکل، قیدهای متقابلی بین نواحی نامنظم هندسی و نواحی میکروساختاری مجاور آن‌ها ایجاد می‌شود که منجر به تجمع دیس‌لوکیشن‌ها، تقویت تنش بازگشتی و افزایش ظرفیت سخت‌شدن کاری می‌گردد.

این مکانیزم امکان می‌دهد تا ماده دیگر تنها به تغییر شکل پلاستیک یکنواخت برای تحمل بارهای خارجی وابسته نباشد، بلکه کرنش را از طریق همکاری هماهنگ چندین ناحیه جذب کند. در نتیجه، ماده ضمن حفظ شکل‌پذیری خوب، استحکام افزایش‌یافته‌ای نیز دارد که این امر پایه‌ای مهم برای طراحی یکپارچه‌ی ساختار و خواص در آلیاژهای نیکل‌مبنا با فرآیند CMT-WAAM فراهم می‌کند.

شکل ۵: نمایه‌ی مکانیزم ساختار زیگزاگ الهام‌گرفته از طبیعت در تنظیم رفتار تغییر شکل

۴. نتیجه‌گیری

این مطالعه مفهوم طراحی ساختاری شبیه‌سازی‌شده از طبیعت را در ساخت آلیاژ اینکونل ۶۲۵ با فرآیند CMT-WAAM معرفی می‌کند و استراتژی نوینی را برای بهبود هماهنگی بین مقاومت و شکل‌پذیری از طریق یک ساختار دندانه‌دار پیشنهاد می‌دهد. این استراتژی از رویکرد سنتی که صرفاً بر بهینه‌سازی پارامترهای فرآیند تکیه دارد، فاصله می‌گیرد و به‌جای آن، کنترل فعال رفتار تغییرشکل ماده را از طریق طراحی واحدهای ساختاری تأکید می‌کند.

نتایج تحقیق نشان می‌دهد که ساختار دندانه‌دار می‌تواند توزیع کرنش محلی را بهبود بخشد، توانایی تغییرشکل هماهنگ بین نواحی مختلف را افزایش دهد و ظرفیت سخت‌شدن کاری ماده را تقویت کند. این مکانیسم به کاهش مشکل رایج تمرکز کرنش محلی در آلیاژهای ساخته‌شده با فناوری افزودنی کمک می‌کند و بدین ترتیب تطابق بهتری بین مقاومت و شکل‌پذیری ایجاد می‌شود.

این دستاورد نه‌تنها تحقیقات در مورد مکانیزم‌های سخت‌کنندگی آلیاژهای نیکل‌محور ساخته‌شده به‌روش WAAM را غنی می‌کند، بلکه ایده‌های جدید طراحی و مراجع فنی برای ساخت افزودنی با عملکرد بالا قطعات فلزی پیچیده و بزرگ‌مقیاس در صنایع هوافضا، تجهیزات انرژی و سایر حوزه‌ها را نیز فراهم می‌آورد.

۵. لینک مقاله

عنوان مقاله: ارتقای هماهنگی مقاومت-شکل‌پذیری در آلیاژ Inconel 625 ساخته‌شده به‌روش CMT-WAAM از طریق یک ساختار ناهمگن زیگ‌زاگ الهام‌گرفته از طبیعت

مجله: علوم مواد و مهندسی A

نویسندگان: یی.جی. هان، جی.جی. شن، بی.اچ. ژانگ، اس.یی. یوان، وِی. دونگ، یی. چنگ، ال.ال. وو، یی. پِنگ، جی.پی. اولیویرا، یی. ژانگ، کِه.اچ. وانگ

شناسه دیجیتال شیء (DOI):

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