Stort nytt! En gemensam prestation av Enigma, Nanjing University of Science and Technology och Universidade de Lisboa: Biomimetiska sågformade strukturer förbättrar den synergistiska hållfastheten och duktiliteten hos CMT-WAAM Inconel 625.

Traditionellt lider Inconel 625, tillverkat med CMT-WAAM, ofta av utmaningar såsom icke-uniform mikrostruktur, lokal töjningskoncentration och svårigheten att samtidigt uppnå hög hållfasthet och god duktilitet. För att hantera denna utmaning har ett team från Nanjing University of Science and Technology föreslagit en biomimetisk sågtandad strukturdesignstrategi. Genom att synergetiskt styra både den geometriska strukturen och mikrostrukturella egenskaperna förbättrar detta tillvägagångssätt materialets prestanda och möjliggör en jämn deformation.

Utifrån ovanstående forskningsbakgrund har ett samarbetsgrupp bestående av Nanjing University of Science and Technology tillsammans med partnerorganisationer inklusive Universidade de Lisboa (Portugal) och Enigma publicerat en nyaste forskningsartikel med titeln ”Enhancing strength-ductility synergy in CMT-WAAM Inconel 625 via a bio-inspired zigzag heterostructure” i den internationella tidskriften Materials Science & Engineering A. https://doi.org/10.1016/j.msea.2026.150464i detta arbete är doktor Shen Jiajia och masterstudenten Han Yanjun från Institutionen för materialvetenskap och teknik vid Nanjing University of Science and Technology gemensamma förstaförfattare; professorerna Wang Kehong och Zhang Yong (också från samma institution) samt professor Joao Pedro Olivelia från Universitetet i Lissabon är gemensamma korresponderande författare. Denna studie förklarar systematiskt mekanismen bakom hur den bioinspirerade zigzag-heterostrukturen förbättrar styrka–ductilitets-synergin i CMT-WAAM Inconel 625.

1. Forskningsbakgrund och betydelse

CMT-WAAM kombinerar den låga värmeinmatningen från kallmetallöverföringsprocesser med den höga depositionsverkningsgraden hos WAAM, vilket gör den idealisk för snabb tillverkning av storskaliga metallkomponenter. För nickelbaserade legeringar som Inconel 625 erbjuder denna teknik betydande fördelar vad gäller tillverkningseffektivitet och minskade produktionskostnader.

Dock i verklig tillverkning påverkar flera termiska cykler under avsättningsprocessen, omättning mellan lager och banplanering tillsammans kornmorfologin, kristallografiska orienteringar och den lokala spännings-/töjningsfördelningen. Att enbart förlita sig på konventionell optimering av processparametrar gör det ofta svårt att uppnå både hög hållfasthet och hög duktilitet samtidigt. Därför har aktiv reglering och kontroll av materialens deformationss beteende genom mikrostrukturdesign blivit en viktig metod för att förbättra den totala prestandan hos legeringar som tillverkats med WAAM.

Hierarkiska strukturer i naturen, såsom snäckskal, ben och sågade gränssnitt, uppnår ofta utmärkt skadetålighet genom mekanismer som "geometrisk interlocking, töjningsfördelning och sprickavledning." Med inspiration från denna biomimetiska designfilosofi konstruerar denna studie en zigzag-arkitektur i CMT-WAAM Inconel 625, vilket ger en ny mikrostrukturell designansats för att samtidigt förbättra hållfastheten och duktiliteten hos additivt tillverkade legeringar.

Figur 1: Schematisk bild av det bioinspirerade zigzag-strukturdesignkonceptet

2. Experimentella detaljer

I denna studie avsattes provkroppar av legeringen Inconel 625 med hjälp av CMT-WAAM-processen, och en sågad struktur med rumsliga vågformer konstruerades genom banplanering. Denna strategi eliminerar det enda platta bindningsgränssnittet mellan lager och skapar istället kontrollerbara strukturenheterna på både makroskopisk geometrisk och mikroskopisk strukturell nivå.

För att omfattande avslöja inflytandet av strukturell design på mikrostruktur och egenskaper hos Inconel625-legeringen använder denna studie en flerskalig karakteriseringsansats: mikrostrukturell utveckling analyseras med tekniker såsom optisk mikroskopi, svepelektronmikroskopi och elektronisk bakåtspridningsdiffraktion; mekaniska egenskaper utvärderas genom dragprovning och brottanalysskanning; och genom att integrera lokala orienterings skillnader, dislokationsstrukturer och deformationsegenskaper förtydligas ytterligare mekanismen bakom den synergistiska förstärkningen av hållfasthet och duktilitet i materialet.

Figur 2: Depositionsstrategi

3. Resultat och diskussion

3.1 Konstruktion av bioinspirerad zigzagstruktur

Jämfört med konventionella raka banor eller enhetliga lagerstrukturer introducerar den zigzagformade strukturen periodiska svängningar och gränsytor med vågformiga ojämnheter i geometrin, vilket skapar områden med olika lokala deformationssvar inom materialet. Under dragbelastning uppstår ömsesidig begränsning och samverkande deformation mellan dessa olika områden, vilket därmed hjälper till att sprida lokala töjningskoncentrationer.

Nyckeln till denna strukturella design ligger inte enbart i att ändra avsättningsbanan, utan i att gemensamt reglera deformationsmoden genom mikrostrukturella variationer som orsakas av banan samt geometriska vågformiga ojämnheter. På detta sätt kan materialet uppnå ett mer stabilt arbetshärtningsbeteende samtidigt som det behåller sin totala bärförmåga.

3.2 Mikrostrukturella egenskaper

Mikrostrukturell analys avslöjar att värmetillförseln, mellanlageromsmältningen och banvariationerna under CMT-WAAM-processen tillsammans påverkar kornmorfologin och den lokala mikrostrukturella fördelningen. De mikrostrukturella skillnaderna i de zickzackformade regionerna ger en grund för deformation, vilket möjliggör rikare spänningsfördelnings- och dislokationsackumulationsbeteenden under deformationsprocessen.

Det bör noteras att zickzackstrukturen inte innebär införandet av svaga gränsytor. Ett korrekt utformat zickzackgränsytans kan förbättra lastöverföringsförmågan genom geometrisk interlocking och mikrostrukturell kontinuitet, vilket därmed minskar risken för tidig brott vid gränsytan.

Figur 3: Schematisk bild av mikrostrukturella egenskaper i den bioinspirerade zickzackstrukturen

3.3 Mekaniska egenskaper vid rumstemperatur

Mekaniska egenskapstester visar att den bioinspirerade zigzagstrukturen effektivt förbättrar styrka–duktilitetssynergin för CMT-WAAM Inconel 625. Jämfört med en konventionell enhetlig struktur försinker zigzagstrukturen plastisk instabilitet genom förbättrad lokal töjningskoordination och förhöjd möjlighet till deformationshärdning, vilket därmed ger överlägsna totala mekaniska egenskaper.

Den synergetiska förbättringen av styrka och duktilitet är en central framställning i denna studie. Under dragdeformation kan zigzagstrukturen ändra töjningens utvecklingsväg, vilket gör att olika områden inom materialet gemensamt deltar i plastisk deformation och därmed undviker tidig skadakoncentration i lokala områden.

Figur 4: Synergetisk förbättring av styrka och duktilitet i CMT-WAAM Inconel 625

3.4 Deformationsmekanism

Mekanismanalys visar att den zigzagformade strukturen kan inducera en mer komplex lokal töjningsfördelning och främja samverkande deformation mellan de mjuka och hårda regionerna inom den zigzagformade strukturen. Under deformation uppstår ömsesidiga begränsningar mellan de geometriskt vågformade regionerna och de intilliggande mikrostrukturella regionerna, vilket därmed underlättar ackumulering av dislokationer, back-stress-förstärkning och förbättrad arbetshärtningsförmåga.

Denna mekanism gör att materialet inte längre behöver förlita sig uteslutande på enhetlig plastisk deformation vid påverkan av yttre belastning, utan istället kan absorbera töjning genom samverkande samarbete mellan flera regioner. Som resultat bibehåller materialet god duktilitet samtidigt som det uppnår ökad hårdhet, vilket ger en viktig grund för integrerad konstruktion av struktur och egenskaper i CMT-WAAM-nickelbaserade legeringar.

Figur 5: Schema över mekanismen för den bioinspirerade zigzagstruktur som reglerar deformationens beteende

4. Slutsats

Denna studie introducerar konceptet för biomimetisk strukturell design i tillverkningen av CMT-WAAM-legeringen Inconel 625 och föreslår en ny strategi för att förbättra samverkan mellan hållfasthet och duktilitet genom en sågformad struktur. Denna strategi bryter med den konventionella ansatsen som endast bygger på optimering av processparametrar och betonar istället aktiv styrning av materialets deformationsbeteende genom utformning av strukturenheterna.

Forskningsresultaten visar att den sågformade strukturen kan förbättra den lokala töjningsfördelningen, öka den samordnade deformationseffekten mellan olika områden och förstärka materialets arbetshärtningsförmåga. Denna mekanism hjälper till att mildra det vanliga problemet med lokal töjningskoncentration i additivt tillverkade legeringar, vilket därmed möjliggör en bättre balans mellan hållfasthet och duktilitet.

Denna prestation berikar inte bara forskningen om förhårdningsmekanismer för WAAM-legeringar av nickelbas, utan ger också nya designidéer och tekniska referenser för additiv tillverkning med hög prestanda av luft- och rymdfartsutrustning, energiutrustning samt komplexa storskaliga metallkomponenter.

5. Länk till artikeln

Artikelns titel: Förbättrad styrka–ductilitetssynergi i CMT-WAAM Inconel 625 via en bioinspirerad zigzag-heterostruktur

Tidskrift: Materials Science & Engineering A

Författare: 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