Grande nouvelle ! Une réalisation conjointe d'Enigma, de l'Université des sciences et technologies de Nanjing et de l'Université de Lisbonne : les structures dentelées biomimétiques améliorent la résistance synergique et la ductilité de l'Inconel 625 fabriqué par CMT-WAAM.

Traditionnellement, l’Inconel 625 fabriqué par CMT-WAAM souffre souvent de défis tels qu’une microstructure non uniforme, une concentration localisée des déformations et la difficulté d’atteindre simultanément une haute résistance et une bonne ductilité. Pour relever ce défi, une équipe de l’Université des sciences et technologies de Nanjing a proposé une stratégie de conception biomimétique de structure dentelée. En contrôlant de façon synergique la géométrie de la structure et les caractéristiques microstructurales, cette approche améliore les performances du matériau afin d’assurer une déformation uniforme.

Sur la base de ce contexte de recherche, une équipe collaborative de l’Université des sciences et technologies de Nanjing, en partenariat avec notamment l’Université de Lisbonne (Portugal) et Enigma, a publié un article de recherche récent intitulé « Amélioration de la synergie résistance-ductilité dans l’Inconel 625 fabriqué par CMT-WAAM grâce à une hétérostructure en zigzag inspirée de la nature » dans la revue internationale Materials Science & Engineering A. https://doi.org/10.1016/j.msea.2026.150464dans ce travail, le Dr Shen Jiajia et l’étudiant en master Han Yanjun, de l’École des sciences et génie des matériaux de l’Université des sciences et technologies de Nanjing, sont les auteurs principaux conjoints ; les professeurs Wang Kehong et Zhang Yong (également de la même école) ainsi que le professeur João Pedro Oliveira de l’Université de Lisbonne sont les auteurs correspondants conjoints. Cette étude éclaire systématiquement le mécanisme par lequel la structure hétérogène en zigzag inspirée de la nature améliore la synergie résistance-ductilité des alliages Inconel 625 fabriqués par CMT-WAAM.

1. Contexte et importance de la recherche

Le procédé CMT-WAAM associe le faible apport thermique des procédés de transfert froid de métal (CMT) à la haute efficacité de dépôt du procédé WAAM, ce qui le rend particulièrement adapté à la fabrication rapide de composants métalliques à grande échelle. Pour les alliages à base de nickel, tels que l’Inconel 625, cette technologie offre des avantages significatifs en termes d’amélioration de l’efficacité de fabrication et de réduction des coûts de production.

Toutefois, dans la fabrication réelle, plusieurs cycles thermiques au cours du procédé de dépôt, la refusion intercouches et la planification du trajet influencent collectivement la morphologie des grains, l’orientation cristallographique et la répartition locale des contraintes/déformations. Une optimisation purement conventionnelle des paramètres du procédé ne permet souvent pas d’atteindre simultanément une résistance élevée et une ductilité élevée. Par conséquent, réguler et contrôler activement le comportement de déformation du matériau par une conception de la microstructure est devenu une approche essentielle pour améliorer les performances globales des alliages fabriqués par soudage à l’arc avec apport de matière (WAAM).

Les structures hiérarchiques présentes dans la nature, telles que les coquillages, les os et les interfaces dentelées, atteignent souvent une excellente tolérance aux dommages grâce à des mécanismes tels que « l’emboîtement géométrique, la répartition des déformations et la déviation des fissures ». En s’inspirant de cette philosophie de conception biomimétique, cette étude construit une architecture en zigzag dans l’alliage Inconel 625 fabriqué par le procédé CMT-WAAM, offrant ainsi une nouvelle approche de conception microstructurale permettant d’améliorer simultanément la résistance et la ductilité des alliages obtenus par fabrication additive.

Figure 1 : Schéma du concept de conception de structure en zigzag inspirée de la nature

2. Détails expérimentaux

Dans cette étude, des éprouvettes en alliage Inconel 625 ont été déposées par le procédé CMT-WAAM, et une structure dentelée présentant des ondulations spatiales a été réalisée grâce à une planification du parcours de l’outil. Cette stratégie élimine l’interface de liaison plane unique entre les couches, formant à la place des unités structurelles contrôlables tant au niveau géométrique macroscopique qu’au niveau structural microscopique.

Afin de révéler de manière exhaustive l'influence de la conception structurelle sur la microstructure et les caractéristiques de l'alliage Inconel625, cette étude adopte une approche de caractérisation multi-échelle : l'évolution microstructurale est analysée à l'aide de techniques telles que la microscopie optique, la microscopie électronique à balayage et la diffraction d'électrons rétrodiffusés ; les propriétés mécaniques sont évaluées par des essais de traction et une analyse fractographique ; enfin, en intégrant les différences d'orientation locales, les structures de dislocations et les caractéristiques de déformation, le mécanisme sous-jacent à l'amélioration synergique de la résistance et de la ductilité du matériau est davantage élucidé.

Figure 2 : Stratégie de dépôt

3. Résultats et discussion

3.1 Construction de la structure en zigzag inspirée de la nature

Comparée aux structures conventionnelles à trajet rectiligne ou à couches uniformes, la structure en zigzag introduit des changements de direction périodiques et des ondulations interfaciales au niveau de la géométrie, créant ainsi des régions présentant différentes réponses locales à la déformation au sein du matériau. Sous sollicitation en traction, une contrainte mutuelle et une déformation coopérative se produisent entre ces différentes régions, contribuant ainsi à disperser les concentrations locales de déformation.

La clé de cette conception structurelle réside non pas uniquement dans la modification du trajet de dépôt, mais dans la régulation conjointe du mode de déformation grâce aux variations microstructurales induites par le trajet et aux ondulations géométriques. De cette manière, le matériau peut présenter un comportement d’écrouissage plus stable tout en conservant sa capacité globale de résistance aux charges.

3.2 Caractéristiques microstructurales

L'analyse microstructurale révèle que l'apport de chaleur, la refusion entre couches et les variations de trajectoire durant le procédé CMT-WAAM influencent collectivement la morphologie des grains et la distribution locale de la microstructure. Les différences microstructurales observées dans les régions à structure en zigzag constituent une base pour la déformation, permettant un partage plus riche des déformations et une accumulation accrue de dislocations au cours du processus de déformation.

Il convient de noter que la structure en zigzag n'implique pas l'introduction d'interfaces faibles. Une interface en zigzag correctement conçue peut améliorer la capacité de transfert de charge grâce à l'entrelacement géométrique et à la continuité microstructurale, réduisant ainsi le risque de rupture prématurée à l'interface.

Figure 3 : Schéma des caractéristiques microstructurales de la structure en zigzag inspirée de la nature

3.3 Propriétés mécaniques à température ambiante

Les essais de propriétés mécaniques montrent que la structure en zigzag inspirée de la nature améliore efficacement la synergie résistance-déformabilité du Inconel 625 fabriqué par soudage à l’arc à métal sous gaz avec transfert par court-circuit (CMT-WAAM). Par rapport à une structure uniforme classique, la structure en zigzag retarde l’instabilité plastique grâce à une coordination améliorée des déformations locales et à une capacité accrue d’écrouissage, permettant ainsi d’obtenir des propriétés mécaniques globales supérieures.

L’amélioration synergique de la résistance et de la déformabilité constitue un point central de cette étude. Lors de la déformation en traction, la structure en zigzag modifie le parcours de l’évolution de la déformation, ce qui permet à différentes régions du matériau de participer conjointement à la déformation plastique, évitant ainsi une concentration prématurée des dommages dans des zones localisées.

Figure 4 : Amélioration synergique de la résistance et de la déformabilité du Inconel 625 fabriqué par soudage à l’arc à métal sous gaz avec transfert par court-circuit (CMT-WAAM)

3.4 Mécanisme de déformation

L'analyse du mécanisme montre que la structure en zigzag peut induire une distribution locale de déformation plus complexe et favoriser une déformation coopérative entre les régions souples et rigides au sein de cette structure en zigzag. Pendant la déformation, des contraintes mutuelles apparaissent entre les régions géométriquement ondulées et les régions microstructurales adjacentes, ce qui facilite l’accumulation de dislocations, le renforcement par contrainte de retour et une capacité accrue d’écrouissage.

Ce mécanisme permet au matériau de ne plus dépendre uniquement d’une déformation plastique uniforme lorsqu’il est soumis à une charge externe, mais d’accommoder la déformation grâce à la coopération synergique de plusieurs régions. En conséquence, le matériau conserve une bonne ductilité tout en atteignant une résistance accrue, ce qui constitue une base essentielle pour la conception intégrée de la structure et des propriétés des alliages à base de nickel fabriqués par CMT-WAAM.

Figure 5 : Schéma du mécanisme de la structure en zigzag inspirée de la nature dans la régulation du comportement en déformation

4. Conclusion

Cette étude introduit le concept de conception structurelle biomimétique dans la fabrication de l’alliage Inconel 625 par soudage à l’arc avec fil continu assisté par robot (CMT-WAAM) et propose une nouvelle stratégie pour améliorer la synergie entre résistance et ductilité grâce à une structure en dents de scie. Cette stratégie s’écarte de l’approche conventionnelle, qui repose uniquement sur l’optimisation des paramètres de procédé, et met plutôt l’accent sur le contrôle actif du comportement de déformation du matériau via la conception d’unités structurelles.

Les résultats de la recherche montrent que la structure en dents de scie permet d’améliorer la répartition locale de la déformation, d’accroître la capacité de déformation coordonnée entre les différentes régions et de renforcer la capacité d’écrouissage du matériau. Ce mécanisme contribue à atténuer le problème courant de concentration localisée de la déformation dans les alliages fabriqués par procédés additifs, permettant ainsi une meilleure adéquation entre résistance et ductilité.

Cette réalisation enrichit non seulement les recherches sur les mécanismes de renforcement des alliages à base de nickel fabriqués par soudage à l’arc avec apport de matière (WAAM), mais fournit également de nouvelles idées de conception et des références techniques pour la fabrication additive haute performance de composants métalliques complexes, de grande taille, destinés aux secteurs aérospatial et de l’énergie.

5. Lien vers l’article

Titre de l’article : Amélioration de la synergie résistance-ductilité dans l’Inconel 625 fabriqué par WAAM-CMT via une hétérostructure en zigzag inspirée de la nature

Revue : Materials Science & Engineering A

Auteurs : 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