Tradizionalmente, l'Inconel 625 realizzato mediante CMT-WAAM presenta spesso sfide quali una microstruttura non uniforme, una concentrazione localizzata di deformazione e la difficoltà di ottenere contemporaneamente elevata resistenza e buona duttilità. Per affrontare questa sfida, un team dell’Università delle Scienze e della Tecnologia di Nanchino ha proposto una strategia progettuale biomimetica basata su una struttura seghettata. Controllando sinergicamente la geometria della struttura e le caratteristiche microstrutturali, questo approccio migliora le prestazioni del materiale, consentendo una deformazione più uniforme.
Sulla base del suddetto contesto di ricerca, un team collaborativo dell’Università delle Scienze e della Tecnologia di Nanchino, insieme a partner tra cui l’Università di Lisbona (Portogallo) e Enigma, ha pubblicato un recente articolo scientifico dal titolo «Miglioramento della sinergia tra resistenza e duttilità nell’Inconel 625 prodotto mediante CMT-WAAM tramite una eterostruttura bio-ispirata a zigzag» sulla rivista internazionale Materials Science & Engineering A https://doi.org/10.1016/j.msea.2026.150464in questo lavoro, la dottoressa Shen Jiajia e lo studente magistrale Han Yanjun della Scuola di Scienza e Ingegneria dei Materiali della Nanjing University of Science and Technology sono gli autori co-principali; i professori Wang Kehong e Zhang Yong (anch’essi della stessa scuola) e il professor Joao Pedro Olivelia dell’Università di Lisbona sono gli autori corrispondenti co-principali. Questo studio chiarisce in modo sistematico il meccanismo con cui la struttura eterogenea a zigzag ispirata alla natura migliora la sinergia tra resistenza e duttilità dell’Inconel 625 prodotto mediante CMT-WAAM. 
1. Contesto e rilevanza della ricerca
Il processo CMT-WAAM combina il basso apporto termico delle tecniche di trasferimento freddo del metallo (CMT) con l’elevata efficienza di deposizione del processo WAAM, rendendolo ideale per la fabbricazione rapida di componenti metallici su larga scala. Per le leghe a base di nichel, come l’Inconel 625, questa tecnologia offre significativi vantaggi in termini di miglioramento dell’efficienza produttiva e riduzione dei costi di produzione.
Tuttavia, nella produzione effettiva, diversi cicli termici durante il processo di deposizione, la fusione interstrato e la pianificazione del percorso influenzano collettivamente la morfologia dei grani, l’orientamento cristallografico e la distribuzione locale delle sollecitazioni/deformazioni. Affidarsi esclusivamente all’ottimizzazione convenzionale dei parametri di processo spesso rende difficile ottenere contemporaneamente elevata resistenza ed elevata duttilità. Pertanto, regolare e controllare attivamente il comportamento di deformazione del materiale attraverso la progettazione della microstruttura è diventato un approccio fondamentale per migliorare le prestazioni complessive delle leghe prodotte mediante WAAM.
Le strutture gerarchiche presenti in natura, come le conchiglie, le ossa e le interfacce seghettate, spesso raggiungono un’eccellente tolleranza ai danni grazie a meccanismi quali «interblocco geometrico, ripartizione della deformazione e deviazione delle fessure». Ispirandosi a questa filosofia di progettazione biomimetica, questo studio realizza un’architettura a zigzag nell’Inconel 625 prodotto mediante il processo CMT-WAAM, offrendo un nuovo approccio alla progettazione microstrutturale per migliorare contemporaneamente resistenza e duttilità delle leghe prodotte con tecnologie additive.
Figura 1: Schema del concetto di progettazione della struttura a zigzag ispirata alla natura
2. Dettagli sperimentali
In questo studio, i campioni di lega Inconel 625 sono stati depositati mediante il processo CMT-WAAM e una struttura seghettata con ondulazioni spaziali è stata realizzata pianificando il percorso dell’utensile. Questa strategia elimina l’unica interfaccia di giunzione piana tra gli strati, generando invece unità strutturali controllabili sia a livello geometrico macroscopico che a livello strutturale microscopico.
Per rivelare in modo completo l'influenza della progettazione strutturale sulla microstruttura e sulle caratteristiche dell'alleghio Inconel625, questo studio adotta un approccio di caratterizzazione multiscala: l'evoluzione microstrutturale viene analizzata mediante tecniche quali la microscopia ottica, la microscopia elettronica a scansione e la diffrazione retrodiffusa di elettroni; le proprietà meccaniche vengono valutate tramite prove di trazione e analisi frattografica; infine, integrando le differenze locali di orientamento, le strutture di dislocazioni e le caratteristiche di deformazione, viene ulteriormente chiarito il meccanismo alla base del potenziamento sinergico di resistenza e duttilità del materiale.
Figura 2: Strategia di deposizione
3. Risultati e discussione
3.1 Costruzione della struttura a zigzag ispirata alla natura
Rispetto alle strutture convenzionali a percorso rettilineo o a strati uniformi, la struttura a zigzag introduce svolte periodiche e ondulazioni dell’interfaccia nella geometria, creando regioni con diverse risposte locali alla deformazione all’interno del materiale. Sotto carico di trazione, tra queste diverse regioni si instaurano vincoli reciproci e deformazione cooperativa, contribuendo così a dissipare le concentrazioni locali di deformazione.
La chiave di questo design strutturale non risiede semplicemente nella modifica del percorso di deposizione, ma nella regolazione congiunta della modalità di deformazione attraverso le variazioni microstrutturali indotte dal percorso e le ondulazioni geometriche. In tal modo, il materiale può raggiungere un comportamento di incrudimento più stabile, mantenendo nel contempo la propria capacità complessiva di sopportare carichi.
3.2 Caratteristiche microstrutturali
L'analisi microstrutturale rivela che l'apporto termico, la rifusione tra strati e le variazioni del percorso durante il processo CMT-WAAM influenzano collettivamente la morfologia dei grani e la distribuzione microstrutturale locale. Le differenze microstrutturali nelle regioni a struttura a zigzag costituiscono la base per la deformazione, consentendo un’articolazione più ricca della deformazione e un maggiore accumulo di dislocazioni durante il processo di deformazione.
Va osservato che la struttura a zigzag non implica l’introduzione di interfacce deboli. Un’interfaccia a zigzag progettata in modo appropriato può migliorare la capacità di trasferimento del carico grazie all’incastro geometrico e alla continuità microstrutturale, riducendo così il rischio di rottura prematura all’interfaccia.
Figura 3: Schema delle caratteristiche microstrutturali nella struttura a zigzag ispirata alla natura
3.3 Proprietà meccaniche a temperatura ambiente
I test sulle proprietà meccaniche dimostrano che la struttura a zigzag ispirata alla natura migliora efficacemente la sinergia tra resistenza e duttilità dell’Inconel 625 prodotto mediante processo CMT-WAAM. Rispetto a una struttura uniforme convenzionale, la struttura a zigzag ritarda l’instabilità plastica grazie a un miglior coordinamento della deformazione locale e a una maggiore capacità di incrudimento, conseguendo così proprietà meccaniche complessive superiori.
Il potenziamento sinergico di resistenza e duttilità rappresenta un punto centrale di questo studio. Durante la deformazione a trazione, la struttura a zigzag è in grado di modificare il percorso di evoluzione della deformazione, consentendo a diverse regioni del materiale di partecipare congiuntamente alla deformazione plastica, evitando così una concentrazione prematura di danni in aree locali.
Figura 4: Potenziamento sinergico di resistenza e duttilità nell’Inconel 625 prodotto mediante processo CMT-WAAM
3.4 Meccanismo di deformazione
L'analisi del meccanismo mostra che la struttura a zigzag può indurre una distribuzione locale di deformazione più complessa e favorire una deformazione cooperativa tra le regioni morbide e quelle rigide all'interno della struttura a zigzag. Durante la deformazione, si verificano vincoli reciproci tra le regioni geometricamente ondulate e le regioni microstrutturali adiacenti, facilitando così l'accumulo di dislocazioni, il rinforzo da back-stress e un'accresciuta capacità di incrudimento.
Questo meccanismo consente al materiale di non dipendere più esclusivamente da una deformazione plastica uniforme quando sottoposto a carichi esterni, ma piuttosto di assorbire la deformazione attraverso la cooperazione sinergica di più regioni. Di conseguenza, il materiale mantiene un'elevata duttilità pur raggiungendo un aumento di resistenza, fornendo una base fondamentale per la progettazione integrata di struttura e proprietà nelle leghe di nichel prodotte mediante CMT-WAAM.
Figura 5: Schema del meccanismo della struttura a zigzag ispirata alla natura nella regolazione del comportamento deformativo
4. Conclusione
Questo studio introduce il concetto di progettazione strutturale biomimetica nella fabbricazione dell'alleghio Inconel 625 mediante CMT-WAAM e propone una nuova strategia per migliorare la sinergia tra resistenza e duttilità attraverso una struttura seghettata. Questa strategia si discosta dall’approccio convenzionale basato esclusivamente sull’ottimizzazione dei parametri di processo, privilegiando invece il controllo attivo del comportamento di deformazione del materiale tramite la progettazione di unità strutturali.
I risultati della ricerca indicano che la struttura seghettata può migliorare la distribuzione locale della deformazione, potenziare la capacità di deformazione coordinata tra diverse regioni e aumentare la capacità di incrudimento del materiale. Questo meccanismo contribuisce ad attenuare il comune problema della concentrazione localizzata di deformazione negli alleghii prodotti con tecnologie additive, consentendo così un migliore equilibrio tra resistenza e duttilità.
Questo risultato non solo arricchisce la ricerca sui meccanismi di rinforzo delle leghe a base di nichel prodotte mediante WAAM, ma fornisce anche nuove idee progettuali e riferimenti tecnici per la produzione additiva ad alte prestazioni di componenti metallici complessi e di grandi dimensioni destinati all’aerospaziale e alle attrezzature energetiche.
5. Link all’articolo
Titolo dell’articolo: Miglioramento della sinergia tra resistenza e duttilità nell’Inconel 625 prodotto mediante WAAM-CMT tramite una eterostruttura a zigzag ispirata alla natura
Rivista: Materials Science & Engineering A
Autore: 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
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