Truyền thống, Inconel 625 được chế tạo bằng phương pháp CMT-WAAM thường gặp phải những thách thức như cấu trúc vi mô không đồng đều, tập trung biến dạng cục bộ và khó khăn trong việc đồng thời đạt được độ bền cao cùng độ dẻo tốt. Để giải quyết thách thức này, một nhóm nghiên cứu từ Đại học Khoa học và Công nghệ Nam Kinh đã đề xuất chiến lược thiết kế cấu trúc răng cưa mô phỏng sinh học. Bằng cách kiểm soát đồng bộ cả hình dạng cấu trúc lẫn đặc điểm cấu trúc vi mô, phương pháp này nâng cao hiệu năng vật liệu nhằm điều chỉnh biến dạng một cách đồng đều.
Dựa trên bối cảnh nghiên cứu nêu trên, một nhóm nghiên cứu liên ngành gồm Đại học Khoa học và Công nghệ Nam Kinh cùng các đối tác như Đại học Lisbon (Bồ Đào Nha) và Enigma đã công bố bài báo nghiên cứu mới nhất với tiêu đề “Nâng cao sự phối hợp giữa độ bền và độ dẻo cho Inconel 625 chế tạo bằng CMT-WAAM thông qua cấu trúc dị thể hình răng cưa mô phỏng sinh học” trên tạp chí quốc tế Materials Science & Engineering A https://doi.org/10.1016/j.msea.2026.150464trong công trình này, Tiến sĩ Thân Gia Gia và nghiên cứu sinh Thạc sĩ Hàn Diễm Quân thuộc Trường Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu, Đại học Khoa học và Công nghệ Nam Kinh là đồng tác giả đầu tiên; các Giáo sư Vương Khả Hồng, Trương Dũng (cũng thuộc cùng trường) và Giáo sư João Pedro Oliveira từ Đại học Lisboa là đồng tác giả liên hệ. Nghiên cứu này đã làm rõ một cách có hệ thống cơ chế mà cấu trúc dị thể hình răng cưa mô phỏng sinh học nâng cao sự kết hợp giữa độ bền và độ dẻo của Inconel 625 được chế tạo bằng phương pháp CMT-WAAM. 
1. Bối cảnh và ý nghĩa nghiên cứu
CMT-WAAM kết hợp ưu điểm về lượng nhiệt đầu vào thấp của quy trình chuyển kim loại lạnh (cold metal transfer) với hiệu suất lắng đọng cao của WAAM, do đó rất phù hợp để chế tạo nhanh các chi tiết kim loại quy mô lớn. Đối với các hợp kim nền niken như Inconel 625, công nghệ này mang lại những lợi thế đáng kể trong việc cải thiện hiệu quả sản xuất và giảm chi phí chế tạo.
Tuy nhiên, trong quá trình sản xuất thực tế, nhiều chu kỳ nhiệt trong quá trình lắng đọng, việc nóng chảy lại giữa các lớp và lập kế hoạch đường đi cùng nhau ảnh hưởng đến hình thái hạt, hướng tinh thể học và phân bố ứng suất/biến dạng cục bộ. Việc chỉ dựa vào tối ưu hóa thông số quy trình truyền thống thường khiến việc đạt đồng thời cả độ bền cao và độ dẻo cao trở nên khó khăn. Do đó, chủ động điều tiết và kiểm soát hành vi biến dạng vật liệu thông qua thiết kế cấu trúc vi mô đã trở thành một phương pháp quan trọng nhằm nâng cao hiệu năng tổng thể của các hợp kim được chế tạo bằng công nghệ WAAM.
Các cấu trúc phân cấp trong tự nhiên, chẳng hạn như vỏ sò, xương và các giao diện răng cưa, thường đạt được khả năng chịu tổn thương xuất sắc thông qua các cơ chế như "khớp nối hình học, phân chia biến dạng và lệch hướng vết nứt." Lấy cảm hứng từ triết lý thiết kế bắt chước sinh học này, nghiên cứu này xây dựng một kiến trúc hình răng cưa trong hợp kim Inconel 625 được chế tạo bằng phương pháp CMT-WAAM, từ đó đề xuất một cách tiếp cận mới trong thiết kế vi cấu trúc nhằm đồng thời nâng cao độ bền và độ dẻo của các hợp kim được sản xuất theo công nghệ in 3D.
Hình 1: Sơ đồ khái niệm thiết kế cấu trúc hình răng cưa lấy cảm hứng từ sinh học
2. Chi tiết thí nghiệm
Trong nghiên cứu này, các mẫu hợp kim Inconel 625 được lắng đọng bằng quy trình CMT-WAAM, và một cấu trúc răng cưa với độ gợn không gian được tạo ra thông qua việc lập trình đường đi của đầu hàn. Chiến lược này loại bỏ giao diện liên lớp phẳng đơn lẻ, thay vào đó hình thành các đơn vị cấu trúc có thể kiểm soát được ở cả cấp độ hình học vĩ mô và cấp độ vi cấu trúc.
Để làm rõ toàn diện ảnh hưởng của thiết kế cấu trúc lên vi cấu trúc và đặc tính của hợp kim Inconel625, nghiên cứu này áp dụng phương pháp đặc trưng đa quy mô: sự tiến hóa vi cấu trúc được phân tích bằng các kỹ thuật như kính hiển vi quang học, kính hiển vi điện tử quét và nhiễu xạ điện tử ngược; các đặc tính cơ học được đánh giá thông qua thử nghiệm kéo và phân tích mặt gãy; đồng thời, bằng cách tích hợp các khác biệt định hướng cục bộ, cấu trúc dislocation và đặc điểm biến dạng, cơ chế nằm dưới sự tăng cường đồng thời về độ bền và độ dẻo của vật liệu được làm sáng tỏ thêm.
Hình 2: Chiến lược lắng đọng
3. Kết quả và Thảo luận
3.1 Xây dựng cấu trúc hình răng cưa bắt chước sinh học
So với các cấu trúc đường thẳng truyền thống hoặc các lớp đồng đều, cấu trúc hình răng cưa tạo ra các đoạn uốn lặp lại và các độ gợn tại bề mặt tiếp xúc về mặt hình học, từ đó hình thành các vùng có phản ứng biến dạng cục bộ khác nhau trong vật liệu. Dưới tải kéo, sự ràng buộc lẫn nhau và biến dạng phối hợp xảy ra giữa các vùng khác nhau này, nhờ đó giúp phân tán các tập trung biến dạng cục bộ.
Chìa khóa của thiết kế cấu trúc này không chỉ nằm ở việc thay đổi quỹ đạo lắng đọng, mà còn ở việc đồng thời điều chỉnh chế độ biến dạng thông qua các biến đổi vi cấu trúc do quỹ đạo gây ra và các độ gợn hình học. Nhờ đó, vật liệu có thể đạt được hành vi gia cứng khi biến dạng ổn định hơn trong khi vẫn duy trì khả năng chịu tải tổng thể.
3.2 Đặc điểm vi cấu trúc
Phân tích vi cấu trúc cho thấy rằng lượng nhiệt đưa vào, việc nấu chảy lại giữa các lớp và sự thay đổi đường đi trong quá trình CMT-WAAM cùng ảnh hưởng đến hình thái hạt và sự phân bố vi cấu trúc cục bộ. Sự khác biệt về vi cấu trúc trong các vùng có cấu trúc dạng răng cưa tạo nền tảng cho biến dạng, từ đó cho phép phân bổ biến dạng phong phú hơn cũng như tích lũy dislocation hiệu quả hơn trong quá trình biến dạng.
Cần lưu ý rằng cấu trúc dạng răng cưa không đồng nghĩa với việc xuất hiện các giao diện yếu. Một giao diện dạng răng cưa được thiết kế hợp lý có thể nâng cao khả năng truyền tải tải trọng thông qua sự khớp nối hình học và tính liên tục của vi cấu trúc, nhờ đó làm giảm nguy cơ phá hủy sớm tại giao diện.
Hình 3: Sơ đồ đặc trưng vi cấu trúc trong cấu trúc dạng răng cưa lấy cảm hứng từ sinh học
3.3 Tính chất cơ học ở nhiệt độ phòng
Các thử nghiệm tính chất cơ học cho thấy cấu trúc hình răng cưa bắt chước tự nhiên hiệu quả cải thiện sự kết hợp giữa độ bền và độ dẻo của Inconel 625 được chế tạo bằng phương pháp CMT-WAAM. So sánh với cấu trúc đồng nhất thông thường, cấu trúc hình răng cưa làm chậm sự mất ổn định dẻo nhờ tăng cường khả năng phối hợp biến dạng cục bộ và khả năng gia công cứng, từ đó đạt được các tính chất cơ học tổng thể vượt trội.
Sự cải thiện đồng thời độ bền và độ dẻo là điểm nổi bật cốt lõi của nghiên cứu này. Trong quá trình biến dạng kéo, cấu trúc hình răng cưa có thể thay đổi đường tiến triển của biến dạng, cho phép các vùng khác nhau trong vật liệu cùng tham gia vào quá trình biến dạng dẻo, từ đó tránh sự tập trung hư hỏng sớm tại các khu vực cục bộ.
Hình 4: Sự cải thiện đồng thời độ bền và độ dẻo trong Inconel 625 được chế tạo bằng phương pháp CMT-WAAM
3.4 Cơ chế biến dạng
Phân tích cơ chế cho thấy cấu trúc hình răng cưa có thể tạo ra phân bố biến dạng cục bộ phức tạp hơn và thúc đẩy sự biến dạng cộng tác giữa các vùng mềm và cứng trong cấu trúc hình răng cưa. Trong quá trình biến dạng, xảy ra sự ràng buộc tương hỗ giữa các vùng có hình học gợn sóng và các vùng vi cấu trúc liền kề, từ đó tạo điều kiện thuận lợi cho sự tích tụ dislocation, tăng cường ứng suất phản hồi và nâng cao khả năng biến cứng khi gia công.
Cơ chế này cho phép vật liệu không còn phụ thuộc hoàn toàn vào biến dạng dẻo đồng đều khi chịu tải bên ngoài, mà thay vào đó có thể thích nghi với biến dạng thông qua sự hợp tác phối hợp giữa nhiều vùng. Kết quả là vật liệu duy trì độ dẻo tốt đồng thời đạt được độ bền tăng lên, cung cấp nền tảng quan trọng cho việc thiết kế tích hợp giữa cấu trúc và tính chất trong các hợp kim niken sản xuất bằng phương pháp CMT-WAAM.
Hình 5: Sơ đồ minh họa cơ chế của cấu trúc hình răng cưa bắt chước tự nhiên trong việc điều tiết hành vi biến dạng
4. Kết luận
Nghiên cứu này giới thiệu khái niệm thiết kế cấu trúc mô phỏng sinh học vào quá trình chế tạo hợp kim Inconel 625 bằng công nghệ CMT-WAAM và đề xuất một chiến lược mới nhằm nâng cao sự phối hợp giữa độ bền và độ dẻo thông qua cấu trúc răng cưa. Chiến lược này thoát ly khỏi cách tiếp cận truyền thống chỉ dựa vào việc tối ưu hóa các thông số quy trình, thay vào đó nhấn mạnh việc kiểm soát chủ động hành vi biến dạng vật liệu thông qua thiết kế các đơn vị cấu trúc.
Kết quả nghiên cứu cho thấy cấu trúc răng cưa có thể cải thiện phân bố biến dạng cục bộ, tăng cường khả năng biến dạng phối hợp giữa các vùng khác nhau và nâng cao khả năng gia cứng do biến dạng của vật liệu. Cơ chế này giúp làm giảm vấn đề tập trung biến dạng cục bộ – một hiện tượng phổ biến trong các hợp kim được chế tạo theo phương pháp cộng thêm – từ đó đạt được sự cân bằng tốt hơn giữa độ bền và độ dẻo.
Thành tựu này không chỉ làm phong phú thêm nghiên cứu về các cơ chế tăng độ dai của hợp kim niken được chế tạo bằng phương pháp WAAM mà còn cung cấp những ý tưởng thiết kế mới và các tài liệu tham khảo kỹ thuật cho việc chế tạo phụ gia hiệu suất cao các linh kiện kim loại quy mô lớn, phức tạp trong lĩnh vực hàng không vũ trụ, thiết bị năng lượng.
5. Liên kết bài báo
Tên bài báo: Nâng cao sự phối hợp giữa độ bền và độ dẻo của Inconel 625 được chế tạo bằng phương pháp WAAM-CMT thông qua cấu trúc dị thể hình răng cưa lấy cảm hứng từ sinh học
Tạp chí: Materials Science & Engineering A
Tác giả: 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
Tin nóng2025-06-30
2025-07-04
2025-07-01
EN
