Știre mare! Un succes comun al Enigma, Universității de Știință și Tehnologie din Nanjing și al Universității din Lisabona: structurile biomimetice zimțate îmbunătățesc rezistența sinergică și ductilitatea Inconel 625 fabricat prin CMT-WAAM.

Tradițional, Inconel 625 fabricat prin metoda CMT-WAAM se confruntă adesea cu provocări precum microstructura neomogenă, concentrarea localizată a deformației și dificultatea de a obține simultan o rezistență ridicată și o ductilitate bună. Pentru a aborda această provocare, o echipă de la Universitatea de Știință și Tehnologie din Nanjing a propus o strategie de proiectare a unei structuri zimțate inspirată din natură. Prin controlul sinergic al structurii geometrice și al caracteristicilor microstructurale, această abordare îmbunătățește performanța materialului, permițând o deformare uniformă.

Pe baza acestui context de cercetare, o echipă colaborativă formată din Universitatea de Știință și Tehnologie din Nanjing, împreună cu parteneri precum Universitatea din Lisabona (Portugalia) și Enigma, a publicat un articol recent de cercetare intitulat „Îmbunătățirea sinergiei între rezistență și ductilitate în Inconel 625 fabricat prin metoda CMT-WAAM prin intermediul unei heterostructuri în zigzag inspirate din natură” în revista internațională Materials Science & Engineering A https://doi.org/10.1016/j.msea.2026.150464în această lucrare, dr. Shen Jiajia și studentul de masterat Han Yanjun de la Facultatea de Știința și Ingineria Materialelor din cadrul Universității de Știință și Tehnologie Nanjing sunt autori co-pri-mari; profesorii Wang Kehong și Zhang Yong (de asemenea de la aceeași facultate) și profesorul João Pedro Oliveira de la Universitatea din Lisabona sunt autori co-responsabili. Această cercetare clarifică în mod sistematic mecanismul prin care heterostructura bio-inspirată în zigzag îmbunătățește sinergia între rezistență și ductilitate a aliajului CMT-WAAM Inconel 625.

1. Contextul și semnificația cercetării

CMT-WAAM combină consumul scăzut de căldură al proceselor de transfer rece al metalului cu eficiența ridicată de depunere a tehnologiei WAAM, făcând-o ideală pentru fabricarea rapidă a componentelor metalice la scară largă. Pentru aliajele pe bază de nichel, cum ar fi Inconel 625, această tehnologie oferă avantaje semnificative în ceea ce privește îmbunătățirea eficienței de fabricație și reducerea costurilor de producție.

Totuși, în producția reală, mai multe cicluri termice în timpul procesului de depunere, retopirea straturilor intermediare și planificarea traseului influențează în mod colectiv morfologia granulelor, orientarea cristalografică și distribuția stresului/deformației locale. Încrederea exclusivă în optimizarea parametrilor convenționali ai procesului face adesea dificilă obținerea simultană a unei rezistențe ridicate și a unei ductilități ridicate. Prin urmare, reglarea activă și controlul comportării de deformare a materialului prin proiectarea structurii microscopice au devenit o abordare importantă pentru îmbunătățirea performanței globale a aliajelor fabricate prin tehnica WAAM.

Structurile ierarhice din natură, cum ar fi scoicile, oasele și interfețele dinate, obțin adesea o toleranță excelentă la deteriorare prin mecanisme precum „îmbinarea geometrică, repartizarea deformației și devierea fisurilor.” Inspirându-se din această filozofie de proiectare biomimetică, acest studiu construiește o arhitectură în zigzag în Inconel 625 realizat prin procesul CMT-WAAM, oferind o nouă abordare de proiectare microstructurală pentru îmbunătățirea simultană a rezistenței și ductilității aliajelor fabricate aditiv.

Figura 1: Schema conceptului de proiectare bio-inspirat al structurii în zigzag

2. Detalii experimentale

În acest studiu, eșantioanele din aliaj Inconel 625 au fost depuse prin procesul CMT-WAAM, iar o structură dintată cu ondulații spațiale a fost realizată prin planificarea traseului de depunere. Această strategie elimină interfața plană unică dintre straturi, formând în schimb unități structurale controlabile atât la nivelul geometric macroscopic, cât și la nivelul structural microscopic.

Pentru a evidenția în mod cuprinzător influența proiectării structurale asupra microstructurii și caracteristicilor aliajului Inconel625, acest studiu utilizează o abordare de caracterizare multiscale: evoluția microstructurală este analizată cu ajutorul unor tehnici precum microscopia optică, microscopia electronică cu scanare și difracția electronică în spate; proprietățile mecanice sunt evaluate prin încercări de întindere și analiză fractografică; iar prin integrarea diferențelor de orientare locală, a structurilor de dislocații și a caracteristicilor deformării, se clarifică în continuare mecanismul care stă la baza îmbunătățirii sinergice a rezistenței și ductilității materialului.

Figura 2: Strategia de depunere

3. Rezultate și discuții

3.1 Construcția structurii bio-inspirate în zigzag

În comparație cu structurile convenționale de tip cale dreaptă sau stratificate uniform, structura în zigzag introduce întoarceri periodice și ondulații ale interfeței din punct de vedere geometric, creând regiuni cu răspunsuri locale diferite la deformare în cadrul materialului. Sub încărcarea de întindere, se produc constrângerea reciprocă și deformarea cooperativă între aceste regiuni diferite, contribuind astfel la dispersarea concentrațiilor locale de deformație.

Cheia acestei concepții structurale nu constă doar în modificarea traseului de depunere, ci în reglarea comună a modului de deformare prin variații microstructurale induse de traseu și prin ondulații geometrice. În acest fel, materialul poate atinge un comportament mai stabil de ecruisare sub sarcină, păstrând în același timp capacitatea sa globală de rezistență la încărcări.

3.2 Caracteristici microstructurale

Analiza microstructurală relevă faptul că aportul de căldură, retopirea straturilor intermediare și variațiile traseului în timpul procesului CMT-WAAM influențează în mod colectiv morfologia granulară și distribuția locală a microstructurii. Diferențele microstructurale din regiunile cu structură în zigzag oferă o bază pentru deformare, permițând comportamente mai bogate de partiționare a deformării și de acumulare a dislocațiilor în timpul procesului de deformare.

Este de remarcat faptul că structura în zigzag nu implică introducerea unor interfețe slabe. O interfață în zigzag proiectată corespunzător poate îmbunătăți capacitatea de transfer al sarcinii prin încleștarea geometrică și continuitatea microstructurală, reducând astfel riscul apariției unei cedări premature la nivelul interfeței.

Figura 3: Schema caracteristicilor microstructurale ale structurii în zigzag inspirate de natură

3.3 Proprietățile mecanice la temperatură ambiantă

Testele proprietăților mecanice arată că structura bio-inspirată în zigzag îmbunătățește eficient sinergia între rezistență și ductilitate a aliajului Inconel 625 fabricat prin tehnologia CMT-WAAM. Comparativ cu o structură uniformă convențională, structura în zigzag întârzie instabilitatea plastică prin coordonarea îmbunătățită a deformației locale și prin capacitatea crescută de ecruisare, realizând astfel proprietăți mecanice superioare în ansamblu.

Îmbunătățirea sinergică a rezistenței și ductilității reprezintă un punct central al acestei cercetări. În timpul deformării la tracțiune, structura în zigzag poate modifica calea evoluției deformației, permițând diferitelor regiuni din material să participe împreună la deformarea plastică, evitând astfel concentrarea prematură a deteriorării în zone locale.

Figura 4: Îmbunătățirea sinergică a rezistenței și ductilității în Inconel 625 fabricat prin tehnologia CMT-WAAM

3.4 Mecanismul deformării

Analiza mecanismului arată că structura în zigzag poate induce o distribuție locală mai complexă a deformației și poate promova deformarea cooperativă între regiunile moi și cele dure din cadrul structurii în zigzag. În timpul deformării, au loc constrângeri reciproce între regiunile cu undulații geometrice și regiunile adiacente ale microstructurii, facilitând astfel acumularea dislocațiilor, întărirea prin tensiune inversă și creșterea capacității de ecruisare.

Acest mecanism permite materialului să nu mai depindă exclusiv de deformarea plastică uniformă atunci când este supus unei încărcări exterioare, ci să absoarbă deformația prin cooperarea sinergică a mai multor regiuni. Ca urmare, materialul își păstrează o ductilitate bună în timp ce obține o rezistență crescută, oferind o bază importantă pentru proiectarea integrată a structurii și proprietăților în aliajele pe bază de nichel fabricate prin metoda CMT-WAAM.

Figura 5: Schema mecanismului structurii în zigzag inspirate de natură în reglarea comportamentului la deformare

4. Concluzii

Această cercetare introduce conceptul de proiectare structurală biomimetică în fabricarea aliajului Inconel 625 prin tehnologia CMT-WAAM și propune o strategie nouă pentru îmbunătățirea sinergiei dintre rezistență și ductilitate, utilizând o structură dantată. Această strategie părăsește abordarea tradițională care se bazează exclusiv pe optimizarea parametrilor de proces, subliniind în schimb controlul activ al comportamentului de deformare al materialului prin proiectarea unităților structurale.

Rezultatele cercetării indică faptul că structura dantată poate îmbunătăți distribuția locală a deformației, poate spori capacitatea de deformare coordonată între diferite regiuni și poate crește capacitatea de ecruisare a materialului. Acest mecanism contribuie la atenuarea problemei frecvente a concentrării locale a deformației în aliajele realizate prin aditiv, permițând astfel obținerea unei potriviri mai bune între rezistență și ductilitate.

Această realizare nu doar îmbogățește cercetarea privind mecanismele de îmbunătățire a tenacității aliajelor pe bază de nichel fabricate prin metoda WAAM, ci oferă și noi idei de proiectare și referințe tehnice pentru fabricarea aditivă de înaltă performanță a componentelor metalice complexe și de mare dimensiune destinate industriei aerospațiale și echipamentelor energetice.

5. Link către articol

Titlul articolului: Îmbunătățirea sinergiei rezistență–ductilitate în Inconel 625 fabricat prin WAAM-CMT prin intermediul unei heterostructuri în zigzag inspirate din natură

Revistă: Materials Science & Engineering A

Autori: 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