Stort nytt! En felles prestasjon fra Enigma, Nanjing University of Science and Technology og Universitetet i Lisboa: Biomimetiske tannete strukturer forbedrer den synergetiske styrken og duktiliteten til CMT-WAAM-fremstilt Inconel 625.

Tradisjonelt lider Inconel 625, fremstilt ved CMT-WAAM, ofte av utfordringer som ulik mikrostruktur, lokal spenningskonsentrasjon og vanskeligheter med å oppnå både høy fasthet og god duktilitet samtidig. For å takle denne utfordringen har et team fra Nanjing University of Science and Technology foreslått en biomimetisk tannet strukturdesignstrategi. Ved å samtidig kontrollere geometrisk struktur og mikrostrukturelle egenskaper forbedrer denne tilnærmingen materialets ytelse slik at deformasjon skjer jevnt.

Ut fra denne forskningsbakgrunnen har et samarbeidsteam fra Nanjing University of Science and Technology, sammen med partnere inkludert Universidade de Lisboa (Portugal) og Enigma, publisert en nyeste forskningsartikkel med tittelen «Enhancing strength-ductility synergy in CMT-WAAM Inconel 625 via a bio-inspired zigzag heterostructure» i det internasjonale tidsskriftet Materials Science & Engineering A. https://doi.org/10.1016/j.msea.2026.150464i dette arbeidet er dr. Shen Jiajia og masterstudenten Han Yanjun fra Skolen for materialvitenskap og ingeniørvitenskap ved Nanjing University of Science and Technology medførste forfattere; professor Wang Kehong, professor Zhang Yong (også fra samme skole) og professor Joao Pedro Olivelia fra Universitetet i Lisboa er medtilsvarende forfattere. Denne studien klarlegger systematisk mekanismen for hvordan den bioinspirerte zigzag-heterostrukturen forbedrer styrke-duktilitetssynergien i CMT-WAAM Inconel 625.

1. Forskningsbakgrunn og betydning

CMT-WAAM kombinerer det lave varmetilførselen fra kalde metalloverføringsprosesser med den høye avsetningshastigheten til WAAM, noe som gjør teknologien ideell for rask fremstilling av store metallkomponenter. For nikkelbaserte legeringer som Inconel 625 gir denne teknologien betydelige fordeler når det gjelder å forbedre produksjonseffektiviteten og redusere produktionskostnadene.

Imidlertid påvirker flere termiske sykler under avsettningsprosessen, om-smelting mellom lag og baneplanlegging i praksis kornmorfologien, krystallografiske orienteringer og lokal spennings-/tøyingsfordeling. Å kun stole på konvensjonell prosessparameteroptimalisering gjør det ofte vanskelig å oppnå både høy styrke og høy duktilitet samtidig. Derfor har aktiv regulering og kontroll av materialets deformasjonsatferd gjennom mikrostrukturdesign blitt en viktig tilnærming for å forbedre den totale ytelsen til legeringer fremstilt ved WAAM.

Hierarkiske strukturer i naturen, som skall, bein og tannete grensesnitt, oppnår ofte utmerket skadetoleranse gjennom mekanismer som «geometrisk innlåsing, spenningsfordeling og sprekkavbøyning». Ved å ta inspirasjon fra denne biomimetiske designfilosofien utvikler denne studien en tannet arkitektur i CMT-WAAM Inconel 625, noe som gir en ny mikrostrukturell designtilnærming for samtidig å forbedre styrken og tøyeferdigheten til additivt produserte legeringer.

Figur 1: Skjematisk fremstilling av konseptet for den biologisk inspirerte tannede strukturen

2. Eksperimentelle detaljer

I denne studien ble prøver av Inconel 625-legering avsatt ved hjelp av CMT-WAAM-prosessen, og en tannet struktur med romlig bølgning ble konstruert gjennom planlegging av verktøybanen. Denne strategien eliminerer det enkle flate bindingssnittet mellom lagene og danner i stedet kontrollerbare strukturelle enheter både på makroskopisk geometrisk og mikroskopisk strukturelt nivå.

For å omfattende avdekke innflytelsen av strukturell design på mikrostruktur og egenskaper til Inconel625-legeringen bruker denne studien en multiskala karakteriseringsmetode: mikrostrukturell utvikling analyseres ved hjelp av teknikker som optisk mikroskopi, scanningelektronmikroskopi og elektronisk bakspredningsdiffraksjon; mekaniske egenskaper vurderes gjennom strekktester og bruddanalyse; og ved å integrere lokale orienteringsforskjeller, dislokasjonsstrukturer og deformasjonsegenskaper avklarer man ytterligere mekanismen bak den synergiaktige forsterkningen av styrke og duktilitet i materialet.

Figur 2: Deposisjonsstrategi

3. Resultater og diskusjon

3.1 Konstruksjon av bioinspirert tannsagstruktur

I forhold til konvensjonelle strukturer med rett linje eller jevnt lagdelte strukturer, introduserer tannsagstrukturen periodiske svingninger og overflatebølger i geometrien, noe som skaper områder med ulike lokale deformasjonsrespons innenfor materialet. Under strekkbelastning oppstår gjensidig begrensning og samarbeidsbasert deformasjon mellom disse ulike områdene, noe som bidrar til å spre lokale spenningskonsentrasjoner.

Nøkkelen til denne strukturelle designløsningen ligger ikke bare i å endre avsettningsbanen, men i å regulere deformasjonsmodusen samtidig gjennom mikrostrukturvariasjoner forårsaket av banen og geometriske bølger. På denne måten kan materialet oppnå et mer stabilt arbeidsforsterkningsforløp uten å miste sin generelle bæreevne.

3.2 Mikrostrukturelle egenskaper

Mikrostrukturell analyse avslører at varmetilførselen, mellomlagets om-smelting og banens variasjoner under CMT-WAAM-prosessen samlet sett påvirker kornmorfologien og den lokale mikrostrukturelle fordelingen. De mikrostrukturelle forskjellene i områdene med saggitt-struktur gir grunnlag for deformasjon, noe som muliggjør rikere spenningsfordelings- og dislokasjonsakkumulasjonsatferd under deformasjonsprosessen.

Det bør bemerkes at saggitt-strukturen ikke innebærer innføring av svake grensesnitt. Et riktig utformet saggitt-grensesnitt kan forbedre lastoverføringskapasiteten gjennom geometrisk innlåsing og mikrostrukturell kontinuitet, og dermed redusere risikoen for tidlig svikt ved grensesnittet.

Figur 3: Skjematisk fremstilling av mikrostrukturelle egenskaper i den bioinspirerte saggitt-strukturen

3.3 Mekaniske egenskaper ved romtemperatur

Mekaniske egenskapstester viser at den bioinspirerte tannsagstrukturten effektivt forbedrer styrke-duktilitets-synergi i CMT-WAAM Inconel 625. I sammenligning med en konvensjonell jevn struktur utsetter tannsagstrukturen plastisk ustabilitet ved å forbedre lokal spenningskoordinering og evnen til arbeidsforhardning, og oppnår dermed overlegne totale mekaniske egenskaper.

Den synergetiske forbedringen av styrke og duktilitet er et sentralt fokusområde i denne studien. Under strekkdeformasjon kan tannsagstrukturen endre spenningsutviklingsbanen, slik at ulike områder i materialet samarbeider om å delta i plastisk deformasjon, og dermed unngå tidlig skadeskonsentrasjon i lokale områder.

Figur 4: Synergetisk forbedring av styrke og duktilitet i CMT-WAAM Inconel 625

3.4 Deformasjonsmekanisme

Mekanismeanalysen viser at den zigzagformete strukturen kan indusere en mer kompleks lokal spenningsfordeling og fremme samarbeidsdeformasjon mellom de myke og de harde områdene innenfor den zigzagformete strukturen. Under deformasjon oppstår gjensidige begrensninger mellom de geometrisk bølgeformede områdene og de tilstøtende mikrostrukturelle områdene, noe som dermed letter akkumulering av dislokasjoner, bakstress-forsterkning og forbedret arbeidsverkningsevne.

Denne mekanismen gjør at materialet ikke lenger er avhengig av ren jevn plastisk deformasjon ved påvirkning fra ytre last, men i stedet kan tilpasse seg deformasjonen gjennom synergi mellom flere områder. Som resultat beholder materialet god duktilitet samtidig som det oppnår økt styrke, noe som gir et viktig grunnlag for integrert design av struktur og egenskaper i CMT-WAAM-nikkelbaserte legeringer.

Figur 5: Skjematisk fremstilling av mekanismen for bioinspirert zigzagstruktur ved regulering av deformasjonsatferd

4. Konklusjon

Denne studien introduserer konseptet med biomimetisk strukturell design i fremstillingen av CMT-WAAM Inconel 625-legering og foreslår en ny strategi for å forbedre synergi mellom styrke og duktilitet gjennom en tannet struktur. Denne strategien avviker fra den konvensjonelle tilnærmingen som utelukkende bygger på optimalisering av prosessparametre og understreker i stedet aktiv kontroll av materialets deformasjonsatferd gjennom design av strukturelle enheter.

Forskningsresultatene viser at den tannede strukturen kan forbedre lokal spenningsfordeling, øke den koordinerte deformasjonskapasiteten mellom ulike områder og forsterke materialets hardningskapasitet under deformasjon. Denne mekanismen bidrar til å redusere det vanlige problemet med lokal spenningskonsentrasjon i additivt produserte legeringer, og oppnår dermed en bedre balanse mellom styrke og duktilitet.

Denne prestasjonen beriker ikke bare forskningen på herdingmekanismer for WAAM-nikkelbaserte legeringer, men gir også nye designideer og tekniske referanser for høyytelsesadditiv fremstilling av luft- og romfartsutstyr, energiutstyr og komplekse store metallkomponenter.

5. Artikkel-lenke

Artikkelens tittel: Økt styrke–duktilitetssynergi i CMT-WAAM Inconel 625 via en biologisk inspirert zigzag-heterostruktur

Tidsskrift: Materials Science & Engineering A

Forfattere: 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