Traditioneel ondervindt Inconel 625, vervaardigd door CMT-WAAM, vaak problemen zoals een niet-uniforme microstructuur, lokale spanningconcentratie en de moeilijkheid om tegelijkertijd hoge sterkte en goede taaiheid te bereiken. Om deze uitdaging aan te pakken, heeft een team van de Nanjing University of Science and Technology een biomimetische gegolfde structuurontwerpstrategie voorgesteld. Door synergetisch zowel de geometrische structuur als de microstructuurkenmerken te beheersen, verbetert deze aanpak de prestaties van het materiaal om vervorming uniform aan te passen.
Op basis van de bovengenoemde onderzoeksachtergrond heeft een samenwerkend team van de Nanjing University of Science and Technology, in samenwerking met partners waaronder de Universiteit van Lissabon (Portugal) en Enigma, een recent onderzoekspaper gepubliceerd getiteld „Versterking van de synergie tussen sterkte en taaiheid in CMT-WAAM Inconel 625 via een biologisch geïnspireerde zigzag heterostructuur” in het internationale tijdschrift Materials Science & Engineering A. https://doi.org/10.1016/j.msea.2026.150464in dit werk zijn dr. Shen Jiajia en masterstudent Han Yanjun van de School voor Materialenwetenschap en -techniek aan de Nanjing University of Science and Technology de co-eerste auteurs; hoogleraren Wang Kehong en Zhang Yong (eveneens van dezelfde school) en hoogleraar Joao Pedro Olivelia van de Universiteit van Lissabon zijn de co-corresponderende auteurs. Deze studie verduidelijkt systematisch het mechanisme waardoor de bio-geïnspireerde zigzag-heterostructuur de synergie tussen sterkte en ductiliteit van CMT-WAAM Inconel 625 verbetert. 
1. Onderzoeksachtergrond en relevantie
CMT-WAAM combineert de lage warmte-invoer van koud-metaaloverdrachtsprocessen met het hoge afzetrendement van WAAM, waardoor deze technologie ideaal is voor de snelle fabricage van grootschalige metalen componenten. Voor nikkelgebaseerde legeringen zoals Inconel 625 biedt deze technologie aanzienlijke voordelen op het gebied van productie-efficiëntie en kostenverlaging.
In de praktijk van de productie beïnvloeden meerdere thermische cycli tijdens het afzettingsproces, het opnieuw smelten van lagen en de baanplanning gezamenlijk de korrelvorm, kristallografische oriëntatie en lokale spanning-/vervormingsverdeling. Alleen vertrouwen op conventionele optimalisatie van procesparameters maakt het vaak moeilijk om tegelijkertijd zowel een hoge sterkte als een hoge ductiliteit te bereiken. Daarom is actief reguleren en beheersen van het vervormingsgedrag van het materiaal via microstructuurontwerp uitgegroeid tot een belangrijke aanpak om de algehele prestaties van legeringen die zijn vervaardigd met WAAM te verbeteren.
Hiërarchische structuren in de natuur, zoals schelpen, botten en gegolfde interfaces, bereiken vaak een uitstekende schadebestendigheid via mechanismen zoals "geometrische vergrendeling, spanningssplitsing en scheurafbuiging." Geïnspireerd door deze biomimetische ontwerpfilosofie bouwt dit onderzoek een zigzagstructuur op in CMT-WAAM Inconel 625, waardoor een nieuwe microstructurele ontwerpbenadering wordt geboden om tegelijkertijd de sterkte en ductiliteit van additief vervaardigde legeringen te verbeteren.
Figuur 1: Schema van het biologisch geïnspireerde zigzagstructuurontwerp
2. Experimentele details
In dit onderzoek werden Inconel 625-legeringsproefstukken afgezet via het CMT-WAAM-proces, en werd een gegolfde structuur met ruimtelijke oneffenheden gerealiseerd door middel van baanplanning. Deze strategie elimineert de enkele vlakke hechtingsinterface tussen de lagen en vormt in plaats daarvan controleerbare structurele eenheden op zowel het macroscopisch geometrische als het microscopisch structurele niveau.
Om de invloed van het structurele ontwerp op de microstructuur en eigenschappen van de Inconel625-legering volledig te onthullen, gebruikt deze studie een multischaliger karakteriseringsaanpak: de microstructuur-evolutie wordt geanalyseerd met behulp van technieken zoals optische microscopie, scanningelektronenmicroscopie en elektronenachterwaartse-diffractie; mechanische eigenschappen worden beoordeeld via trekproeven en fractografische analyse; en door lokale oriëntatieverschillen, dislocatiestructuren en vervormingseigenschappen te integreren, wordt het mechanisme dat ten grondslag ligt aan de synergetische verbetering van sterkte en ductiliteit van het materiaal verder toegelicht.
Figuur 2: Afscheidingsstrategie
3. Resultaten en bespreking
3.1 Opbouw van een bio-geïnspireerde zigzagstructuur
In vergelijking met conventionele rechte of uniforme gelaagde structuren introduceert de zigzagstructuur periodieke bochten en interfacegolven in de geometrie, waardoor gebieden ontstaan met verschillende lokale vervormingsreacties binnen het materiaal. Onder trekbelasting treden wederzijdse beperking en samenwerkende vervorming op tussen deze verschillende gebieden, wat helpt om lokale rekconcentraties te verdelen.
De sleutel tot dit constructieve ontwerp ligt niet alleen in het wijzigen van het afzettingspad, maar ook in de gezamenlijke regeling van de vervormingswijze via microstructurele variaties en geometrische golven die door het pad worden veroorzaakt. Op deze manier kan het materiaal een stabieler werkverhardingsgedrag bereiken, terwijl de algehele draagcapaciteit behouden blijft.
3.2 Microstructurele kenmerken
Microstructureel onderzoek onthult dat de warmtetoevoer, het hermelten tussen lagen en de padvariaties tijdens het CMT-WAAM-proces gezamenlijk van invloed zijn op de korrelvorm en de lokale microstructurele verdeling. De microstructurele verschillen in de zigzag-gevormde gebieden vormen een basis voor vervorming, waardoor rijkere vervormingsverdelingsgedrag en dislocatieaccumulatie optreden tijdens het vervormingsproces.
Het is opmerkelijk dat de zigzagstructuur niet impliceert dat zwakke grensvlakken worden ingevoerd. Een goed ontworpen zigzaggrensvlak kan de belastingoverdrachtscapaciteit verbeteren via geometrische vergrendeling en microstructurele continuïteit, waardoor het risico op vroegtijdig falen aan het grensvlak wordt verminderd.
Figuur 3: Schema van de microstructurele kenmerken in de bio-geïnspireerde zigzagstructuur
3.3 Mechanische eigenschappen bij kamertemperatuur
Mechanische eigenschapstests tonen aan dat de bio-geïnspireerde zigzagstructuur effectief de synergie tussen sterkte en ductiliteit van CMT-WAAM Inconel 625 verbetert. In vergelijking met een conventionele uniforme structuur vertraagt de zigzagstructuur plastische instabiliteit door verbeterde lokale rekcoördinatie en een grotere verhardingscapaciteit onder vervorming, waardoor superieure algehele mechanische eigenschappen worden bereikt.
De synergetische verbetering van sterkte en ductiliteit is een kernaspect van dit onderzoek. Tijdens trekvervorming kan de zigzagstructuur het pad van rekvolging wijzigen, zodat verschillende gebieden binnen het materiaal gezamenlijk deelnemen aan de plastische vervorming en daardoor vroegtijdige schadeconcentratie in lokale gebieden wordt voorkomen.
Figuur 4: Synergetische verbetering van sterkte en ductiliteit in CMT-WAAM Inconel 625
3.4 Vervormingsmechanisme
Analyse van het mechanisme laat zien dat de zigzagstructuur een complexere lokale spanningverdeling kan induceren en gecoöpereerde vervorming tussen de zachte en harde gebieden binnen de zigzagstructuur kan bevorderen. Tijdens vervorming treden wederzijdse beperkingen op tussen de geometrisch golvende gebieden en de aangrenzende microstructurele gebieden, wat accumulatie van dislocaties, versterking door tegenkracht en verbeterde werkverhardingscapaciteit bevordert.
Dit mechanisme stelt het materiaal in staat om bij belasting niet langer uitsluitend afhankelijk te zijn van uniforme plastische vervorming, maar in plaats daarvan de vervorming op te nemen via synergetische samenwerking van meerdere gebieden. Als gevolg hiervan behoudt het materiaal een goede ductiliteit terwijl het tegelijkertijd een verhoogde sterkte bereikt, wat een belangrijke basis vormt voor het geïntegreerde ontwerp van structuur en eigenschappen in CMT-WAAM nikkelgebaseerde legeringen.
Figuur 5: Schema van het mechanisme van de bio-geïnspireerde zigzagstructuur bij het reguleren van het vervormingsgedrag
4. Conclusie
Dit onderzoek introduceert het biomimetische structurele ontwerpconcept in de fabricage van CMT-WAAM Inconel 625-legering en stelt een nieuwe strategie voor om de synergie tussen sterkte en ductiliteit te verbeteren via een gekartelde structuur. Deze strategie breekt weg van de conventionele aanpak die uitsluitend is gebaseerd op optimalisatie van procesparameters en benadrukt in plaats daarvan de actieve controle van het vervormingsgedrag van het materiaal via het ontwerp van structurele eenheden.
De onderzoeksresultaten wijzen uit dat de gekartelde structuur de lokale rekverdeling kan verbeteren, de gecoördineerde vervormingscapaciteit tussen verschillende gebieden kan versterken en de werkverhardingscapaciteit van het materiaal kan verhogen. Dit mechanisme helpt het veelvoorkomende probleem van geconcentreerde lokale rek in additief vervaardigde legeringen te verminderen, waardoor een betere afstemming tussen sterkte en ductiliteit wordt bereikt.
Deze prestatie verrijkt niet alleen het onderzoek naar de verstevigingsmechanismen van WAAM-nikkelgebaseerde legeringen, maar biedt ook nieuwe ontwerpideeën en technische referenties voor hoogwaardige additieve fabricage van lucht- en ruimtevaartcomponenten, energieapparatuur en complexe, grootschalige metalen onderdelen.
5. Link naar het artikel
Titel van het artikel: Versterking van de synergie tussen sterkte en ductiliteit in CMT-WAAM Inconel 625 via een bio-geïnspireerde zigzag heterostructuur
Tijdschrift: Materials Science & Engineering A
Auteur: 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
Actueel nieuws2025-06-30
2025-07-04
2025-07-01
EN
