Duża wiadomość! Wspólne osiągnięcie Enigmy, Uniwersytetu Nankińskiego Nauki i Technologii oraz Uniwersytetu Lizbońskiego: biomimetyczne struktury piłkowane zwiększają wytrzymałość i ciągliwość synergiczną w procesie CMT-WAAM stopu Inconel 625.

Tradycyjnie Inconel 625 wytwarzany metodą CMT-WAAM często napotyka na problemy, takie jak niejednorodna mikrostruktura, lokalne skupiska odkształceń oraz trudność w jednoczesnym osiągnięciu wysokiej wytrzymałości i dobrej plastyczności. Aby rozwiązać ten problem, zespół z Uniwersytetu Naukowo-Technicznego w Nankinie zaproponował strategię projektowania biomimetycznej struktury piłkowanej. Dzięki synergicznemu kontrolowaniu struktury geometrycznej oraz cech mikrostrukturalnych podejście to poprawia wydajność materiału, umożliwiając jednolite dostosowanie się do odkształcenia.

Na podstawie powyższego kontekstu badawczego zespół współpracy z Uniwersytetu Naukowo-Technicznego w Nankinie, wraz z partnerami, w tym Uniwersytetem Lizbońskim (Portugalia) oraz firmą Enigma, opublikował najnowszą pracę badawczą zatytułowaną „Wzmocnienie synergii wytrzymałości i plastyczności w Inconel 625 wytwarzanym metodą CMT-WAAM za pomocą bioinspirowanej heterostruktury falistej” w międzynarodowym czasopiśmie Materials Science & Engineering A. https://doi.org/10.1016/j.msea.2026.150464w tej pracy dr Shen Jiajia oraz magistrant Han Yanjun ze Szkoły Nauki o Materiałach i Inżynierii Materiałowej na Uniwersytecie Nankińskim Nauki i Technologii są współgłównymi autorami; profesorowie Wang Kehong i Zhang Yong (również z tej samej szkoły) oraz profesor Joao Pedro Olivelia z Uniwersytetu Lizbońskiego są współautorem korespondencyjnym. Badanie to systematycznie wyjaśnia mechanizm, w jaki bioinspirowana struktura heterostrukturalna w kształcie zygzaka poprawia synergiczne połączenie wytrzymałości i plastyczności stopu Inconel 625 wytworzonego metodą CMT-WAAM.

1. Tło badawcze i znaczenie

CMT-WAAM łączy niskie wprowadzanie ciepła charakterystyczne dla procesów zimnego przenoszenia metalu (CMT) z wysoką wydajnością osadzania charakterystyczną dla addytywnej technologii spawania łukowego (WAAM), co czyni ją idealną do szybkiej produkcji dużych komponentów metalowych. Dla stopów niklu, takich jak Inconel 625, technologia ta oferuje istotne zalety pod względem poprawy wydajności produkcyjnej i obniżenia kosztów produkcji.

Jednak w rzeczywistym procesie produkcji wiele cykli termicznych podczas procesu napylania, przetopienie warstw pośrednich oraz planowanie trasy wpływa łącznie na morfologię ziaren, orientację krystalograficzną oraz rozkład lokalnego naprężenia/odkształcenia. Oparcie się wyłącznie na konwencjonalnej optymalizacji parametrów procesu często utrudnia jednoczesne osiągnięcie zarówno wysokiej wytrzymałości, jak i wysokiej plastyczności. Dlatego aktywne regulowanie i kontrolowanie zachowania odkształceniowego materiału poprzez projektowanie mikrostruktury stało się ważnym podejściem do poprawy ogólnej wydajności stopów wytwarzanych metodą WAAM.

Hierarchiczne struktury występujące w przyrodzie, takie jak muszle, kości czy ząbkowane interfejsy, często osiągają doskonałą odporność na uszkodzenia dzięki mechanizmom takim jak „blokowanie geometryczne, rozdział odkształcenia oraz odchylenie pęknięć”. Czerpiąc inspirację z tej biomimetycznej filozofii projektowania, w niniejszym badaniu skonstruowano strukturę zygzakową w stopie Inconel 625 wytworzonej metodą CMT-WAAM, zapewniając nowe podejście do projektowania mikrostruktury umożliwiające jednoczesne zwiększenie wytrzymałości i plastyczności stopów wytwarzanych addytywnie.

Rysunek 1: Schemat koncepcji projektowania bioinspirowanej struktury zygzakowej

2. Szczegóły eksperymentalne

W niniejszym badaniu próbki ze stopu Inconel 625 zostały osadzone metodą CMT-WAAM, a struktura ząbkowana z przestrzennymi falistościami została utworzona za pomocą planowania ścieżki narzędzia. Ta strategia eliminuje pojedynczy płaski interfejs połączenia między warstwami, tworząc zamiast tego kontrolowane jednostki strukturalne zarówno na poziomie makroskopowej geometrii, jak i mikroskopowej struktury.

Aby wyczerpująco ujawnić wpływ projektowania strukturalnego na mikrostrukturę oraz właściwości stopu Inconel625, w niniejszym badaniu zastosowano wieloskalowe podejście do charakteryzacji: ewolucję mikrostruktury analizowano za pomocą takich technik jak mikroskopia optyczna, skaningowa mikroskopia elektronowa oraz dyfrakcja elektronów wstecznych (EBSD); właściwości mechaniczne oceniano poprzez próby rozciągania oraz analizę powierzchni złomów; ponadto, poprzez zintegrowanie różnic lokalnych orientacji, struktur dyslokacyjnych oraz cech odkształcenia, wyjaśniono mechanizm synergicznego wzmacniania wytrzymałości i ciągliwości materiału.

Rysunek 2: Strategia napylania

3. Wyniki i dyskusja

3.1 Konstrukcja bioinspirowanej struktury zygzakowatej

W porównaniu z konwencjonalnymi strukturami o prostoliniowym lub jednorodnym warstwowym przebiegu struktura zygzakowata wprowadza okresowe zakręty i nieregularności interfejsu w geometrii, tworząc obszary o różnym lokalnym zachowaniu odkształceniowym w materiale. Pod wpływem obciążenia rozciągającego występuje wzajemne ograniczanie i współdziałające odkształcanie się tych różnych obszarów, co przyczynia się do rozproszenia lokalnych skupisk odkształceń.

Kluczem do tego rozwiązania konstrukcyjnego nie jest jedynie zmiana ścieżki osadzania, lecz jednoczesne sterowanie trybem odkształcania poprzez mikrostrukturalne zmiany wywołane ścieżką oraz nieregularności geometryczne. Dzięki temu materiał może osiągnąć bardziej stabilne zachowanie umacniające się pod wpływem odkształcenia, zachowując przy tym swoją ogólną nośność.

3.2 Charakterystyka mikrostruktury

Analiza mikrostrukturalna ujawnia, że wprowadzane ciepło, przetop warstw pośrednich oraz zmienność trasy w procesie CMT-WAAM wspólnie wpływają na morfologię ziaren oraz lokalny rozkład mikrostruktury. Różnice mikrostrukturalne w regionach o strukturze zygzakowej stanowią podstawę deformacji, umożliwiając bogatsze zachowanie się pod względem podziału odkształcenia oraz akumulacji dyslokacji w trakcie procesu deformacji.

Warto zauważyć, że struktura zygzakowa nie oznacza wprowadzenia słabych interfejsów. Poprawnie zaprojektowany interfejs zygzakowy może poprawić zdolność przenoszenia obciążenia dzięki geometrycznemu zaklinowaniu i ciągłości mikrostruktury, co zmniejsza ryzyko przedwczesnego uszkodzenia na interfejsie.

Rysunek 3: Schemat charakterystycznych cech mikrostruktury w bioinspirowanej strukturze zygzakowej

3.3 Właściwości mechaniczne w temperaturze pokojowej

Testy właściwości mechanicznych wykazują, że bioinspirowana struktura zygzakowata skutecznie poprawia synergiczne połączenie wytrzymałości i plastyczności w materiale CMT-WAAM Inconel 625. W porównaniu ze standardową, jednorodną strukturą struktura zygzakowata opóźnia niestabilność plastyczną dzięki zwiększonej lokalnej koordynacji odkształceń oraz zdolności do umacniania przez odkształcenie, co przekłada się na lepsze ogólne właściwości mechaniczne.

Synergiczna poprawa wytrzymałości i plastyczności stanowi kluczowy element tej pracy badawczej. Podczas odkształcenia rozciągającego struktura zygzakowata może zmieniać ścieżkę ewolucji odkształcenia, umożliwiając różnym obszarom materiału wspólny udział w deformacji plastycznej i tym samym zapobiegając wcześniejszemu skupieniu uszkodzeń w lokalnych strefach.

Rysunek 4: Synergiczna poprawa wytrzymałości i plastyczności w materiale CMT-WAAM Inconel 625

3.4 Mechanizm deformacji

Analiza mechanizmu wykazuje, że struktura zygzakowata może wywołać bardziej złożone lokalne rozkładanie odkształceń i sprzyjać współpracy w deformacji między obszarami miękkimi i twardymi w obrębie struktury zygzakowatej. W trakcie deformacji występują wzajemne ograniczenia między geometrycznie falującymi obszarami a sąsiednimi obszarami mikrostrukturalnymi, co ułatwia gromadzenie dyslokacji, wzmocnienie przez naprężenia odporne oraz zwiększa zdolność do umocnienia przez odkształcenie.

Ten mechanizm umożliwia materiałowi nie polegać już wyłącznie na jednorodnej deformacji plastycznej pod wpływem obciążenia zewnętrznego, lecz przystosowywać się do odkształcenia poprzez synergiczną współpracę wielu obszarów. W rezultacie materiał zachowuje dobrą kruszczliwość przy jednoczesnym osiągnięciu wyższej wytrzymałości, stanowiąc ważną podstawę do zintegrowanego projektowania struktury i właściwości stopów niklowych wytwarzanych metodą CMT-WAAM.

Rysunek 5: Schemat mechanizmu bioinspirowanej struktury zygzakowatej w regulacji zachowania podczas deformacji

4. Wnioski

Niniejsze badanie wprowadza koncepcję biomimetycznego projektowania strukturalnego w procesie wytwarzania stopu Inconel 625 metodą CMT-WAAM oraz proponuje nową strategię zwiększania synergii między wytrzymałością a plastycznością poprzez strukturę piłkowatą. Strategia ta odbiega od tradycyjnego podejścia opierającego się wyłącznie na optymalizacji parametrów procesu, podkreślając zamiast tego aktywną kontrolę zachowania deformacyjnego materiału poprzez projektowanie jednostek strukturalnych.

Wyniki badań wskazują, że struktura piłkowata może poprawić lokalne rozkład odkształceń, zwiększyć zdolność do współdziałającej deformacji pomiędzy różnymi obszarami oraz wzmocnić zdolność materiału do umacniania się w trakcie odkształcania. Mechanizm ten pomaga złagodzić powszechne w stopach wytwarzanych addytywnie zagadnienie lokalnej koncentracji odkształceń, umożliwiając tym samym lepsze dopasowanie wytrzymałości do plastyczności.

To osiągnięcie nie tylko wzbogaca badania nad mechanizmami wzmacniania stopów niklu wytworzonych metodą WAAM, ale także dostarcza nowych pomysłów projektowych oraz odniesień technicznych do wysoce wydajnej produkcji przyrostowej elementów metalowych o złożonej budowie i dużych rozmiarach stosowanych w przemyśle lotniczo-kosmicznym, energetycznym oraz w innych urządzeniach.

5. Link do artykułu

Tytuł artykułu: Poprawa synergii wytrzymałości i plastyczności w stopie Inconel 625 wytworzonego metodą CMT-WAAM poprzez bioinspirowaną heterostrukturę w kształcie zygzaka

Czasopismo: Materials Science & Engineering A

Autorzy: 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