Berita besar! Pencapaian bersama oleh Enigma, Universiti Sains dan Teknologi Nanjing, dan Universiti Lisbon: Struktur bergerigi bionik meningkatkan kekuatan sinergistik dan kelenturan CMT-WAAM Inconel 625.

Secara tradisional, Inconel 625 yang diperbuat melalui CMT-WAAM sering menghadapi cabaran seperti struktur mikro yang tidak seragam, pemusatan tegasan tempatan, dan kesukaran mencapai kekuatan tinggi serta keuletan yang baik secara serentak. Untuk mengatasi cabaran ini, satu pasukan daripada Universiti Sains dan Teknologi Nanjing telah mencadangkan strategi reka bentuk struktur bergerigi berdasarkan prinsip biomimetik. Dengan mengawal secara sinergistik struktur geometri dan ciri-ciri struktur mikro, pendekatan ini meningkatkan prestasi bahan untuk menyesuaikan deformasi secara seragam.

Berdasarkan latar belakang penyelidikan di atas, satu pasukan kolaboratif daripada Universiti Sains dan Teknologi Nanjing, bersama-sama dengan rakan-rakan termasuk Universiti Lisbon (Portugal) dan Enigma, telah menerbitkan kertas penyelidikan terkini bertajuk “Meningkatkan sinergi kekuatan-keuletan dalam Inconel 625 CMT-WAAM melalui heterostruktur zigzag berilham biologi” dalam jurnal antarabangsa Materials Science & Engineering A. https://doi.org/10.1016/j.msea.2026.150464dalam kajian ini, Dr. Shen Jiajia dan pelajar sarjana Han Yanjun dari Sekolah Sains dan Kejuruteraan Bahan di Universiti Sains dan Teknologi Nanjing merupakan penulis utama bersama; Profesor Wang Kehong, Profesor Zhang Yong (juga dari sekolah yang sama), dan Profesor Joao Pedro Olivelia dari Universiti Lisbon merupakan penulis sepadan bersama. Kajian ini secara sistematik menerangkan mekanisme di mana heterostruktur zigzag berinspirasi biologi meningkatkan sinergi kekuatan–keanjalan bagi Inconel 625 yang diperbuat melalui proses CMT-WAAM.

1. Latar Belakang dan Kepentingan Kajian

CMT-WAAM menggabungkan input haba rendah daripada proses pemindahan logam sejuk dengan kecekapan pengendapan tinggi daripada WAAM, menjadikannya sangat sesuai untuk pembuatan komponen logam berskala besar secara pantas. Bagi aloi berbasis nikel seperti Inconel 625, teknologi ini menawarkan kelebihan ketara dalam meningkatkan kecekapan pembuatan dan mengurangkan kos pengeluaran.

Namun, dalam pembuatan sebenar, beberapa kitaran haba semasa proses penempatan, peleburan semula antara lapisan, dan perancangan laluan secara bersama-sama mempengaruhi morfologi butir, orientasi kristalografi, dan taburan tegasan/tegangan tempatan. Mengandalkan secara eksklusif pada pengoptimuman parameter proses konvensional sering kali menyukarkan pencapaian kekuatan tinggi dan kelenturan tinggi secara serentak. Oleh itu, mengawal dan mengatur secara aktif kelakuan deformasi bahan melalui rekabentuk mikrostruktur telah menjadi pendekatan penting untuk meningkatkan prestasi keseluruhan aloi yang dibuat menggunakan kaedah WAAM.

Struktur berhirarki dalam alam, seperti cangkerang laut, tulang, dan antara muka bergerigi, sering mencapai ketahanan terhadap kerosakan yang sangat baik melalui mekanisme seperti "kuncian geometri, pembahagian tegasan, dan pesongan retak." Dengan mengambil inspirasi daripada falsafah rekabentuk biomimetik ini, kajian ini membina arkitektur zigzag dalam Inconel 625 yang dihasilkan melalui proses CMT-WAAM, menyediakan pendekatan baharu dalam rekabentuk mikrostruktur untuk meningkatkan secara serentak kekuatan dan kelenturan aloi yang dihasilkan secara tambahan.

Rajah 1: Skema konsep rekabentuk struktur zigzag berinspirasikan bio

2. Butiran Eksperimen

Dalam kajian ini, spesimen aloi Inconel 625 diendapkan melalui proses CMT-WAAM, dan struktur bergerigi dengan lekukan ruang dibina melalui perancangan laluan alat. Strategi ini menghapuskan antara muka pengikatan rata tunggal di antara lapisan-lapisan, sebaliknya membentuk unit-unit struktur yang boleh dikawal pada kedua-dua peringkat geometri makroskopik dan struktur mikroskopik.

Untuk mendedahkan secara menyeluruh pengaruh rekabentuk struktur terhadap mikrostruktur dan ciri-ciri aloi Inconel625, kajian ini menggunakan pendekatan pencirian berbilang skala: evolusi mikrostruktur dianalisis dengan teknik seperti mikroskopi optik, mikroskopi elektron penskanan, dan belauan elektron balik berbeza; sifat mekanikal dinilai melalui ujian tegangan dan analisis fraktografi; serta dengan mengintegrasikan perbezaan orientasi tempatan, struktur dislokasi, dan ciri-ciri deformasi, mekanisme yang mendasari peningkatan sinergistik kekuatan dan kelenturan bahan tersebut diterangkan lebih lanjut.

Rajah 2: Strategi Pemendapan

3. Keputusan dan Perbincangan

3.1 Pembinaan struktur zigzag berinspirasi biologi

Berbandingkan dengan struktur laluan lurus konvensional atau struktur berlapis seragam, struktur zigzag memperkenalkan keluk berkala dan gelombang antara muka dari segi geometri, mencipta kawasan-kawasan dengan respons ubah bentuk setempat yang berbeza dalam bahan tersebut. Di bawah beban tegangan, terdapat sekatan bersilang dan ubah bentuk secara kerjasama antara kawasan-kawasan berbeza ini, seterusnya membantu menyebarkan kepekatan tegasan setempat.

Kunci kepada rekabentuk struktur ini bukan sekadar mengubah laluan pemendapan, tetapi juga mengawal secara bersama mod ubah bentuk melalui variasi mikrostruktur akibat laluan dan gelombang geometri. Dengan cara ini, bahan tersebut dapat mencapai tingkah laku pengerasan kerja yang lebih stabil sambil mengekalkan kapasiti keseluruhan menanggung beban.

3.2 Ciri-ciri Mikrostruktur

Analisis mikrostruktur menunjukkan bahawa input haba, peleburan semula lapisan antara, dan variasi laluan semasa proses CMT-WAAM secara kolektif mempengaruhi morfologi butir dan taburan mikrostruktur tempatan. Perbezaan mikrostruktur dalam kawasan berstruktur zigzag memberikan asas bagi deformasi, membolehkan pembahagian tegasan yang lebih kaya dan akumulasi dislokasi semasa proses deformasi.

Perlu diperhatikan bahawa struktur zigzag tidak bermaksud pengenalan antara muka lemah. Antara muka zigzag yang direka dengan baik dapat meningkatkan keupayaan pemindahan beban melalui kunci geometri dan kesinambungan mikrostruktur, seterusnya mengurangkan risiko kegagalan awal pada antara muka.

Rajah 3: Skema ciri-ciri mikrostruktur dalam struktur zigzag berilham biologi

3.3 Sifat mekanikal pada suhu bilik

Ujian sifat mekanikal menunjukkan bahawa struktur zigzag berinspirasi biologi secara berkesan meningkatkan sinergi kekuatan-daktiliti bagi Inconel 625 yang dihasilkan melalui proses CMT-WAAM. Berbanding struktur seragam konvensional, struktur zigzag menangguhkan ketidakstabilan plastik melalui peningkatan koordinasi regangan tempatan dan keupayaan pengerasan kerja, seterusnya mencapai sifat mekanikal keseluruhan yang lebih unggul.

Peningkatan sinergistik kekuatan dan daktiliti merupakan sorotan utama kajian ini. Semasa deformasi tarikan, struktur zigzag mampu mengubah laluan evolusi regangan, membolehkan pelbagai kawasan dalam bahan tersebut bersama-sama terlibat dalam deformasi plastik, seterusnya mengelakkan pemusatan kerosakan awal di kawasan tempatan.

Rajah 4: Peningkatan Sinergistik Kekuatan dan Daktiliti dalam Inconel 625 CMT-WAAM

3.4 Mekanisme Deformasi

Analisis mekanisme menunjukkan bahawa struktur zigzag boleh menghasilkan taburan tegasan tempatan yang lebih kompleks dan mempromosikan deformasi kerjasama antara kawasan lembut dan kawasan keras di dalam struktur zigzag. Semasa berlakunya deformasi, terdapat kekangan bersilang antara kawasan geometri yang berombak dan kawasan mikrostruktur bersebelahan, seterusnya memudahkan pengumpulan dislokasi, penguatan tekanan balik, dan peningkatan keupayaan pengerasan akibat tegasan.

Mekanisme ini membolehkan bahan tersebut tidak lagi bergantung semata-mata pada deformasi plastik seragam apabila dikenakan beban luar, tetapi sebaliknya menyesuaikan tegasan melalui kerjasama sinergistik pelbagai kawasan. Oleh itu, bahan tersebut mengekalkan kelenturan yang baik sambil mencapai peningkatan kekuatan, memberikan asas penting bagi rekabentuk terpadu struktur dan sifat dalam aloi nikel berbasis CMT-WAAM.

Rajah 5: Skema mekanisme struktur zigzag berinspirasi biologi dalam mengawal kelakuan deformasi

4. Kesimpulan

Kajian ini memperkenalkan konsep rekabentuk struktur biomimetik ke dalam pembuatan aloi Inconel 625 melalui proses CMT-WAAM dan mencadangkan strategi baharu untuk meningkatkan sinergi antara kekuatan dan kelenturan melalui struktur bergerigi. Strategi ini berbeza daripada pendekatan konvensional yang hanya bergantung pada pengoptimuman parameter proses, sebaliknya menekankan kawalan aktif terhadap tingkah laku ubah bentuk bahan melalui rekabentuk unit struktur.

Hasil kajian menunjukkan bahawa struktur bergerigi dapat memperbaiki taburan tegasan tempatan, meningkatkan keupayaan ubah bentuk bersama di antara pelbagai kawasan, serta memperkukuh kapasiti pengerasan akibat kerja bahan. Mekanisme ini membantu mengurangkan masalah ketumpatan tegasan tempatan yang biasa berlaku dalam aloi yang dihasilkan secara tambahan (additively manufactured), seterusnya mencapai pertandingan yang lebih baik antara kekuatan dan kelenturan.

Pencapaian ini tidak hanya memperkaya kajian mengenai mekanisme pengukuhan aloi nikel berbasis WAAM tetapi juga memberikan idea-idea baharu dalam rekabentuk dan rujukan teknikal bagi pembuatan tambahan berprestasi tinggi untuk komponen logam aerospace, peralatan tenaga, dan komponen logam berskala besar yang kompleks.

5. Pautan Kertas

Tajuk Kertas: Meningkatkan sinergi kekuatan-daktiliti dalam Inconel 625 CMT-WAAM melalui struktur hetero zigzag berinspirasikan bio

Jurnal: Materials Science & Engineering A

Penulis: 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