Большая новость! Совместное достижение компаний Enigma, Нанкинского университета науки и технологий и Лиссабонского университета: биомиметические зазубренные структуры повышают синергетическую прочность и пластичность Inconel 625, полученного методом CMT-WAAM.

Традиционно получаемый методом CMT-WAAM сплав Inconel 625 зачастую сталкивается с такими проблемами, как неоднородная микроструктура, локальная концентрация деформаций и сложность одновременного достижения высокой прочности и хорошей пластичности. Для решения этой задачи группа исследователей из Нанкинского университета науки и технологий предложила стратегию проектирования биомиметической пилообразной структуры. Синергетическое управление геометрической структурой и характеристиками микроструктуры позволяет повысить эксплуатационные свойства материала и обеспечить равномерное распределение деформации.

На основе указанного научного контекста совместная исследовательская группа Нанкинского университета науки и технологий, в сотрудничестве с партнёрами, включая Университет Лиссабона (Португалия) и компанию Enigma, опубликовала новейшую научную статью под названием «Повышение синергии прочности и пластичности в Inconel 625, полученном методом CMT-WAAM, за счёт биомиметической зигзагообразной гетероструктуры» в международном журнале Materials Science & Engineering A https://doi.org/10.1016/j.msea.2026.150464в этой работе доктор Шэнь Цзяцзя и магистрант Хань Яньцзюнь из Школы материаловедения и инженерии Нанкинского университета науки и технологий являются со-первыми авторами; профессора Ван Кэхун, Чжан Юн (также из той же школы) и профессор Жоао Педру Оливейра из Лиссабонского университета являются со-корреспондирующими авторами. В данном исследовании систематически раскрывается механизм, посредством которого биомиметическая зигзагообразная гетероструктура повышает синергию прочности и пластичности в Inconel 625, полученном методом CMT-WAAM.

1. Научный контекст и значимость исследования

CMT-WAAM сочетает низкий тепловой ввод процессов холодной металлической передачи (CMT) с высокой эффективностью наплавки при аддитивном производстве металлических изделий (WAAM), что делает эту технологию идеальной для быстрого изготовления крупногабаритных металлических компонентов. Для никелевых сплавов, таких как Inconel 625, эта технология обеспечивает существенные преимущества в повышении эффективности производства и снижении производственных затрат.

Однако при фактическом производстве несколько термических циклов в процессе напыления, повторное плавление межслойных зон и планирование траектории движения совместно влияют на форму зёрен, кристаллографическую ориентацию и распределение локальных напряжений/деформаций. Ориентация исключительно на традиционную оптимизацию технологических параметров зачастую затрудняет одновременное достижение высокой прочности и высокой пластичности. Поэтому активное регулирование и контроль поведения материала при деформации посредством проектирования микроструктуры стали важным подходом к повышению общей эффективности сплавов, изготовленных методом WAAM.

Иерархические структуры в природе, такие как раковины моллюсков, кости и зазубренные интерфейсы, зачастую обеспечивают высокую устойчивость к повреждениям благодаря механизмам, таким как «геометрическое взаимное зацепление, распределение деформаций и отклонение трещин». Вдохновляясь этой биомиметической философией проектирования, в настоящем исследовании создана зигзагообразная архитектура в сплаве Inconel 625, полученном методом CMT-WAAM, что открывает новый подход к микроструктурному проектированию для одновременного повышения прочности и пластичности аддитивно изготовленных сплавов.

Рисунок 1: Схематическое изображение концепции биомиметического зигзагообразного строения

2. Экспериментальные детали

В настоящем исследовании образцы сплава Inconel 625 были получены методом CMT-WAAM, а зазубренная структура с пространственными волновыми неровностями была сформирована за счёт планирования траектории инструмента. Данная стратегия исключает наличие единственной плоской границы соединения между слоями и вместо этого обеспечивает формирование управляемых структурных элементов как на макроскопическом геометрическом, так и на микроскопическом структурном уровнях.

Для всестороннего выявления влияния конструктивного проектирования на микроструктуру и свойства сплава Inconel625 в настоящем исследовании применяется многоуровневый подход к характеристике: эволюция микроструктуры анализируется с использованием таких методов, как оптическая микроскопия, сканирующая электронная микроскопия и дифракция обратно рассеянных электронов; механические свойства оцениваются путём испытаний на растяжение и фрактографического анализа; а за счёт интеграции локальных различий ориентации, дислокационных структур и характеристик деформации дополнительно раскрывается механизм синергетического повышения прочности и пластичности материала.

Рисунок 2: Стратегия наплавки

3. Результаты и обсуждение

3.1 Построение биомиметической зигзагообразной структуры

По сравнению с традиционными прямыми или однородно слоистыми структурами зигзагообразная структура вводит периодические изгибы и неровности интерфейса в геометрии, создавая области с различными локальными характеристиками деформационного отклика внутри материала. При растягивающей нагрузке между этими различными областями возникают взаимные ограничения и совместная деформация, что способствует рассеиванию локальных концентраций деформации.

Ключевым аспектом данной конструктивной схемы является не просто изменение траектории наплавки, а совместное управление режимом деформации за счёт микроструктурных вариаций, индуцируемых траекторией, и геометрических неровностей. Таким образом, материал может демонстрировать более стабильное поведение при упрочнении под нагрузкой, сохраняя при этом свою общую несущую способность.

3.2 Микроструктурные характеристики

Микроструктурный анализ показывает, что тепловой ввод, повторное расплавление межслойных зон и вариации траектории движения при процессе CMT-WAAM совместно влияют на форму зерен и локальное распределение микроструктуры. Микроструктурные различия в областях с зигзагообразной структурой создают основу для деформации, обеспечивая более богатое распределение деформаций и накопление дислокаций в процессе деформирования.

Следует отметить, что зигзагообразная структура не означает введение слабых интерфейсов. Правильно спроектированный зигзагообразный интерфейс может повысить способность к передаче нагрузки за счёт геометрического взаимного зацепления и непрерывности микроструктуры, тем самым снижая риск преждевременного разрушения на интерфейсе.

Рисунок 3: Схематическое изображение микроструктурных характеристик биомиметической зигзагообразной структуры

3.3 Механические свойства при комнатной температуре

Механические испытания показывают, что биомиметическая зигзагообразная структура эффективно улучшает синергию прочности и пластичности при аддитивном производстве методом CMT-WAAM сплава Inconel 625. По сравнению с традиционной однородной структурой зигзагообразная структура задерживает возникновение пластической нестабильности за счёт повышения локальной координации деформаций и способности к упрочнению при деформации, обеспечивая тем самым превосходные общие механические свойства.

Синергетическое повышение прочности и пластичности является ключевым результатом данного исследования. При растяжении зигзагообразная структура изменяет путь эволюции деформации, позволяя различным областям материала совместно участвовать в пластической деформации и тем самым предотвращая преждевременную концентрацию повреждений в локальных зонах.

Рисунок 4: Синергетическое повышение прочности и пластичности при аддитивном производстве методом CMT-WAAM сплава Inconel 625

3.4 Механизм деформации

Анализ механизма показывает, что зигзагообразная структура может вызывать более сложное локальное распределение деформаций и способствовать кооперативной деформации между мягкими и твёрдыми областями внутри зигзагообразной структуры. В процессе деформации возникают взаимные ограничения между геометрически волнистыми участками и соседними микроструктурными областями, что способствует накоплению дислокаций, упрочнению за счёт обратных напряжений и повышению способности к упрочнению при пластической деформации.

Данный механизм позволяет материалу больше не полагаться исключительно на равномерную пластическую деформацию под действием внешней нагрузки, а вместо этого адаптировать деформацию за счёт синергетического взаимодействия нескольких областей. В результате материал сохраняет хорошую пластичность при одновременном повышении прочности, что создаёт важную основу для комплексного проектирования структуры и свойств никелевых сплавов, полученных методом CMT-WAAM.

Рисунок 5: Схема механизма биомиметической зигзагообразной структуры в регулировании поведения при деформации

4. Заключение

В данном исследовании концепция биомиметического структурного проектирования вводится в процесс изготовления сплава Inconel 625 методом CMT-WAAM, а также предлагается новая стратегия повышения синергии между прочностью и пластичностью за счёт зазубренной структуры. Эта стратегия отходит от традиционного подхода, основанного исключительно на оптимизации технологических параметров, и делает акцент на активном управлении поведением материала при деформации посредством проектирования структурных элементов.

Результаты исследования показывают, что зазубренная структура способна улучшить распределение локальных деформаций, повысить способность различных областей к согласованной деформации и усилить способность материала к наклёпу. Данный механизм помогает смягчить распространённую проблему локальной концентрации деформаций в аддитивно изготовленных сплавах, обеспечивая тем самым более сбалансированное сочетание прочности и пластичности.

Это достижение не только обогащает исследования механизмов повышения ударной вязкости никелевых сплавов, полученных методом WAAM, но и предоставляет новые идеи проектирования и технические рекомендации для высокопроизводительного аддитивного производства аэрокосмических и энергетических установок, а также сложных крупногабаритных металлических компонентов.

5. Ссылка на статью

Название статьи: Повышение синергии прочности и пластичности в Inconel 625, полученном методом CMT-WAAM, за счёт биомиметической зигзагообразной гетероструктуры

Журнал: Materials Science & Engineering A

Авторы: 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