Велика новина! Спільне досягнення компанії Enigma, Нанкиньського університету науки та технологій і Лісабонського університету: біоміметичні зубчасті структури покращують синергетичну міцність і пластичність Inconel 625, отриманого методом CMT-WAAM.

Традиційно Inconel 625, виготовлений методом CMT-WAAM, часто стикається з такими проблемами, як неоднорідна мікроструктура, локалізоване концентрування деформації та складність одночасного досягнення високої міцності й доброї пластичності. Щоб подолати цю проблему, команда Національного університету науки та технологій Наньцзіну запропонувала стратегію проектування біоміметичних пилкоподібних структур. Синергетичне керування геометричною структурою та характеристиками мікроструктури дозволяє покращити експлуатаційні властивості матеріалу та забезпечити рівномірне розподілення деформації.

На основі наведеного наукового контексту спільна команда Національного університету науки та технологій Наньцзіну разом із партнерами — Університетом Лісабона (Португалія) та компанією Enigma — опублікувала останню наукову статтю під назвою «Підвищення синергії міцності та пластичності в Inconel 625, отриманому методом CMT-WAAM, за допомогою біоміметичної зигзагоподібної гетероструктури» у міжнародному журналі Materials Science & Engineering A. https://doi.org/10.1016/j.msea.2026.150464у цій роботі доктор Шень Цзяцзя та магістрант Хань Яньцзюнь із Школи матеріалознавства та інженерії Нанкінського університету науки та технології є співпершими авторами; професори Ван Кехун, Чжан Юнь (також із тієї ж школи) та професор Жоао Педру Олівеліа з Лісабонського університету є співвідповідальними авторами. У цьому дослідженні систематично роз’яснюється механізм, за допомогою якого біоміметична зигзагоподібна гетероструктура підвищує синергію міцності та пластичності Inconel 625, виготовленого методом CMT-WAAM.

1. Науковий контекст і значення дослідження

CMT-WAAM поєднує низьке теплове навантаження процесів холодного металевого переносу з високою ефективністю наплавлення методом WAAM, що робить його ідеальним для швидкого виготовлення великих металевих компонентів. Для нікельвмісних сплавів, таких як Inconel 625, ця технологія забезпечує значні переваги щодо підвищення ефективності виробництва та зниження виробничих витрат.

Однак у реальному виробництві кілька термічних циклів під час процесу нанесення покриття, повторне плавлення міжшарових зон та планування траєкторії руху спільно впливають на морфологію зерен, кристалографічну орієнтацію та розподіл локальних напружень/деформацій. Спроби досягти одночасно високої міцності та високої пластичності за допомогою лише традиційної оптимізації технологічних параметрів часто виявляються невдалими. Тому активне регулювання та контроль поведінки матеріалу під час деформації шляхом проектування його мікроструктури стали важливим підходом до підвищення загальної ефективності сплавів, виготовлених методом WAAM.

Ієрархічні структури в природі, такі як мушлі, кістки та зубчасті інтерфейси, часто забезпечують високу стійкість до пошкоджень за рахунок механізмів, таких як «геометричне блокування, розподіл деформації та відхилення тріщин». Спрямовуючись на цю біоміметичну філософію проектування, у цьому дослідженні створено зигзагоподібну архітектуру в матеріалі Inconel 625, отриманому методом CMT-WAAM, що надає новий підхід до мікроструктурного проектування для одночасного підвищення міцності та пластичності сплавів, виготовлених адитивними технологіями.

Рисунок 1: Схематичне зображення концепції біоміметичного зигзагоподібного структурного проектування

2. Експериментальні деталі

У цьому дослідженні зразки сплаву Inconel 625 було нанесено методом CMT-WAAM, а зубчасту структуру з просторовими хвилями сформовано за допомогою планування траєкторії руху інструменту. Ця стратегія усуває єдиний плоский межшаровий з’єднувальний інтерфейс і замість цього формує керовані структурні одиниці як на макроскопічному геометричному, так і на мікроскопічному структурному рівнях.

Щоб комплексно розкрити вплив конструктивного проектування на мікроструктуру та характеристики сплаву Inconel625, у цьому дослідженні застосовано багаторівневий підхід до характеризації: еволюцію мікроструктури аналізують за допомогою таких методів, як оптична мікроскопія, скануюча електронна мікроскопія та електронна зворотна дифракція; механічні властивості оцінюють за допомогою випробувань на розтяг і фрактографічного аналізу; а шляхом інтеграції локальних відмінностей орієнтації, дислокаційних структур та характеристик деформації далі пояснюється механізм синергетичного підвищення міцності й пластичності матеріалу.

Рисунок 2: Стратегія нанесення

3. Результати та обговорення

3.1 Створення біоміметичної зигзагоподібної структури

Порівняно з традиційними прямолінійними або однорідно шаруватими структурами, зигзагоподібна структура вводить періодичні повороти та нерівності інтерфейсу в геометрії, створюючи області з різними локальними відгуками на деформацію всередині матеріалу. Під дією розтягуючого навантаження між цими різними областями виникають взаємне обмеження та співпраця при деформації, що сприяє розсіюванню локальних концентрацій деформації.

Ключовим моментом цього конструктивного рішення є не просто зміна траєкторії нанесення, а спільне регулювання режиму деформації за рахунок мікроструктурних варіацій, індукованих траєкторією, та геометричних нерівностей. Таким чином, матеріал може досягти більш стабільної поведінки при зміцненні під дією роботи, зберігаючи при цьому загальну несучу здатність.

3.2 Мікроструктурні характеристики

Мікроструктурний аналіз показує, що тепловий вплив, повторне плавлення міжшарових зон та варіації траєкторії під час процесу CMT-WAAM спільно впливають на морфологію зерен та локальну мікроструктурну розподіленість. Мікроструктурні відмінності в зигзагоподібних ділянках створюють основу для деформації, забезпечуючи більш різноманітне розподілення деформації та накопичення дислокацій під час процесу деформації.

Варто зазначити, що зигзагоподібна структура не означає введення слабких інтерфейсів. Наявність правильно спроектованого зигзагоподібного інтерфейсу може покращити здатність до передачі навантаження за рахунок геометричного взаємного блокування та мікроструктурної безперервності, що зменшує ризик передчасного руйнування на інтерфейсі.

Рисунок 3: Схематичне зображення мікроструктурних характеристик біоміметичної зигзагоподібної структури

3.3 Механічні властивості при кімнатній температурі

Механічні випробування показують, що біоміметична зигзагоподібна структура ефективно покращує синергію міцності та пластичності CMT-WAAM Inconel 625. Порівняно з традиційною однорідною структурою, зигзагоподібна структура затримує пластичну нестабільність за рахунок підвищеної локальної координації деформації та здатності до наклепу, забезпечуючи таким чином вищі загальні механічні властивості.

Синергійне підвищення міцності та пластичності є ключовим результатом цього дослідження. Під час розтягу зигзагоподібна структура змінює шлях еволюції деформації, що дозволяє різним ділянкам матеріалу спільно брати участь у пластичній деформації й уникати передчасної концентрації пошкоджень у локальних областях.

Рисунок 4: Синергійне підвищення міцності та пластичності в CMT-WAAM Inconel 625

3.4 Механізм деформації

Аналіз механізму показує, що зигзагоподібна структура може спричинити складнішу локальну розподіленість деформації та сприяти кооперативній деформації між м’якими й твердими ділянками всередині зигзагоподібної структури. Під час деформації виникають взаємні обмеження між геометрично хвилястими ділянками та прилеглими мікроструктурними ділянками, що сприяє накопиченню дислокацій, підвищенню зворотного напруження та покращенню здатності до наклепу.

Цей механізм дозволяє матеріалу більше не покладатися виключно на рівномірну пластичну деформацію під дією зовнішнього навантаження, а натомість адаптувати деформацію за рахунок синергійної взаємодії кількох ділянок. Як наслідок, матеріал зберігає хорошу пластичність, одночасно досягаючи підвищеної міцності, що створює важливу основу для комплексного проектування структури та властивостей нікелевих сплавів, отриманих методом CMT-WAAM.

Рисунок 5: Схематичне зображення механізму біоміметичної зигзагоподібної структури у регулюванні поведінки при деформації

4. Висновки

У цьому дослідженні концепцію біоміметичного структурного проектування введено в процес виготовлення сплаву Inconel 625 методом CMT-WAAM і запропоновано нову стратегію підвищення синергії між міцністю та пластичністю за рахунок зубчастої структури. Ця стратегія відмежовується від традиційного підходу, що ґрунтується виключно на оптимізації технологічних параметрів, і робить акцент на активному керуванні поведінкою матеріалу під час деформації шляхом проектування структурних елементів.

Результати дослідження свідчать, що зубчаста структура може поліпшити локальний розподіл деформації, посилити здатність до узгодженої деформації між різними ділянками та підвищити здатність матеріалу до наклепу. Цей механізм сприяє зменшенню поширеного явища локалізованої концентрації деформації в адитивно виготовлених сплавах, забезпечуючи таким чином краще поєднання міцності та пластичності.

Це досягнення не лише збагачує дослідження механізмів підвищення ударної в’язкості нікелевих сплавів, отриманих методом WAAM, а й надає нові ідеї щодо проектування та технічні посилання для високопродуктивного адитивного виробництва аерокосмічних, енергетичних установок та складних великогабаритних металевих компонентів.

5. Посилання на статтю

Назва статті: Підвищення синергії міцності та пластичності в CMT-WAAM Inconel 625 за допомогою біо-навідненої зигзагоподібної гетероструктури

Журнал: Materials Science & Engineering A

Автори: 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