従来、CMT-WAAM（Cold Metal Transfer - Wire Arc Additive Manufacturing）によって製造されたInconel 625は、微細構造の不均一性、局所的なひずみ集中、および高強度と優れた延性を同時に実現することの困難さといった課題に直面してきました。この課題に対処するため、南京理工大学の研究チームは、生物模倣型の鋸歯状構造設計戦略を提案しました。幾何学的構造と微細構造特性を協調的に制御することにより、本手法は材料の変形を均一に調整する性能を向上させます。
上記の研究背景に基づき、南京理工大学の共同研究チームは、リスボン大学（ポルトガル）およびEnigmaなどのパートナーとともに、国際学術誌『Materials Science & Engineering A』に最新の研究論文「Enhancing strength-ductility synergy in CMT-WAAM Inconel 625 via a bio-inspired zigzag heterostructure」を発表しました。 https://doi.org/10.1016/j.msea.2026.150464本研究において、南京理工大学材料科学与工程学院の沈佳佳博士および韓彦君修士が共著第一著者を務め、同学院の王克宏教授、張勇教授、およびリスボン大学のジョアン・ペドロ・オリベリア教授が共通責任著者を務めました。本研究は、生物模倣ジグザグ異種構造がCMT-WAAM製Inconel 625の強度-延性協調性を高めるメカニズムを体系的に解明しています。 
1. 研究背景と意義
CMT-WAAMは、コールドメタルトランスファー（CMT）プロセスの低熱入力特性とWAAMの高堆積効率を組み合わせた技術であり、大規模金属部品の高速製造に最適です。インコネル625などのニッケル基合金に対しては、製造効率の向上および生産コストの削減という点で、大きな利点を提供します。
しかし、実際の製造工程においては、堆積プロセス中の複数回の熱サイクル、層間再溶融、およびパス計画が、 collectively 結晶粒形状、結晶学的配向、および局所的な応力／ひずみ分布に影響を与えます。従来のプロセスパラメータ最適化のみに依存すると、高強度と高延性を同時に達成することがしばしば困難になります。したがって、微細構造設計を通じて材料の変形挙動を積極的に制御・調整することは、WAAM（ワイヤーアークアディティブマニュファクチャリング）で製造された合金の全体的な性能を向上させる上で重要なアプローチとなっています。
貝殻、骨、鋸歯状界面などの自然界における階層構造は、「幾何学的嵌合（インロック）、ひずみの分配、亀裂の偏向」などのメカニズムを通じて優れた損傷耐性を実現することが多い。この生物模倣設計思想に着想を得て、本研究ではCMT-WAAM法で製造されたInconel 625にジグザグ構造を構築し、加算製造合金の強度と延性を同時に向上させるための新たな微細構造設計アプローチを提案する。
図1：生物模倣ジグザグ構造の設計概念模式図
2、実験の詳細
本研究では、CMT-WAAMプロセスを用いてInconel 625合金試料を堆積し、工具パス計画によって空間的に起伏を持つ鋸歯状構造を構築した。この戦略により、層間の単一の平坦な結合界面が排除され、巨視的な幾何学レベルおよび微視的な構造レベルの両方において制御可能な構造単位が形成される。
Inconel625合金の構造設計がその微細構造および特性に及ぼす影響を包括的に明らかにするため、本研究ではマルチスケール評価手法を採用している：微細構造の進化は光学顕微鏡、走査型電子顕微鏡、電子後方散乱回折などの手法を用いて解析され、機械的特性は引張試験および破面解析によって評価される；さらに、局所的な結晶方位差、転位構造、変形特性を統合することにより、材料における強度と延性の協調的向上をもたらすメカニズムがさらに解明される。
図2：堆積戦略
3、結果と考察
3.1 バイオインスパイアードジグザグ構造の構築
従来の直線的または均一な層状構造と比較して、ジグザグ構造は幾何学的に周期的な曲がりおよび界面の起伏を導入し、材料内に局所的な変形応答が異なる領域を形成する。引張荷重下では、これらの異なる領域間で相互拘束および協調的変形が生じ、それにより局所的なひずみ集中を分散させる効果が得られる。
この構造設計の鍵は、単に堆積パスを変更することにあるのではなく、パスによって誘起される微細構造の変化と幾何学的な起伏を連動させ、変形モードを共同で制御することにある。これにより、材料は全体的な荷重支持能力を維持しつつ、より安定した加工硬化挙動を実現できる。
3.2 微細構造の特徴
微細構造解析により、CMT-WAAMプロセス中の熱入力、層間再溶融、およびパス変化が、 collectively 結晶粒形態および局所的な微細構造分布に影響を与えることが明らかになった。ジグザグ構造領域における微細構造の差異は、変形の基盤を提供し、変形過程においてより豊かなひずみ分割および転位集積挙動を可能にする。
ジグザグ構造が弱い界面を導入することを意味するわけではないことに留意すべきである。適切に設計されたジグザグ界面は、幾何学的嵌合および微細構造の連続性を通じて荷重伝達能力を高め、界面における早期破壊のリスクを低減することができる。
図3：生物模倣ジグザグ構造における微細構造特性の模式図
3.3 常温機械的特性
機械的特性試験の結果、生物模倣型ジグザグ構造がCMT-WAAM製Inconel 625の強度－延性の相乗効果を効果的に向上させることを示した。従来の均一構造と比較して、ジグザグ構造は局所的なひずみ調整能力および加工硬化能を高めることにより塑性不安定化を遅延させ、全体として優れた機械的特性を実現する。
強度と延性の相乗的向上は、本研究の核心的な成果である。引張変形中にジグザグ構造はひずみ進展経路を変化させ、材料内の異なる領域が塑性変形に共同で寄与することを可能とし、局所領域における早期の損傷集中を回避する。
図4：CMT-WAAM製Inconel 625における強度と延性の相乗的向上
3.4 変形メカニズム
機構解析により、ジグザグ構造がより複雑な局所ひずみ分布を誘起し、ジグザグ構造内の軟質領域と硬質領域間の協調変形を促進することが明らかになった。変形過程において、幾何学的に起伏する領域と隣接する微細構造領域との間に相互拘束が生じ、これにより転位の蓄積、バックストレス強化および加工硬化能の向上が促進される。
この機構により、材料は外部荷重下で均一な塑性変形にのみ依存することなく、複数の領域が協調して応じることでひずみを吸収できるようになる。その結果、材料は優れた延性を維持しつつ強度を高めることができ、CMT-WAAM法で製造されたニッケル系合金における構造・特性統合設計の重要な基盤を提供する。
図5：生物模倣ジグザグ構造による変形挙動制御メカニズムの模式図
4、結論
本研究では、CMT-WAAM法によるInconel 625合金の製造に生物模倣構造設計の概念を導入し、ギザギザ状構造（鋸歯状構造）を用いた強度と延性の両立を高める新規戦略を提案する。この戦略は、従来のプロセスパラメータ最適化にのみ依存するアプローチから脱却し、構造単位の設計を通じた材料変形挙動の能動的制御を重視する。
研究結果によると、ギザギザ状構造は局所的なひずみ分布を改善し、異なる領域間の協調変形能力を高め、材料の加工硬化能を向上させる。この機構により、積層造形合金に共通する局所的なひずみ集中という課題が緩和され、強度と延性のより良いバランスが実現される。
この成果は、WAAMニッケル系合金の強靭化メカニズムに関する研究を豊かにするだけでなく、航空宇宙・エネルギー機器および複雑な大型金属部品の高性能アディティブ・マニュファクチャリングに向けた新たな設計思想および技術的参照資料も提供します。
5、論文リンク
論文タイトル：生物模倣ジグザグ異質構造を用いたCMT-WAAM Inconel 625における強度-延性の相乗効果の向上
雑誌：Materials Science & Engineering A
著者：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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