传统 CMT-WAAM 制备的 Inconel 625 往往面临组织非均匀、局部应变集中以及强度－塑性难以兼顾等问题。针对这一挑战，南京理工大学团队提出了仿生锯齿结构设计策略，通过几何结构与组织特征的协同调控提升材料的变形协调能力。
基于上述研究背景，南京理工大学团队联合葡萄牙新里斯本大学、英尼格玛等合作单位在国际期刊 Materials Science & Engineering A 上发表最新研究成果“Enhancing strength-ductility synergy in CMT-WAAM Inconel 625 via a bio-inspired zigzag heterostructure”(https://doi.org/10.1016/j.msea.2026.150464)，其中，南京理工大学材料学院沈佳佳博士与硕士生韩彦军为该论文共同第一作者；南京理工大学材料学院王克鸿教授、张勇教授以及葡萄牙新里斯本大学Joao Pedro Olivelia教授为共同通讯作者。该工作系统阐明了仿生锯齿结构对 CMT-WAAM Inconel 625 强度－塑性协同提升的作用机制。
一、研究背景与意义
CMT-WAAM 结合了冷金属过渡过程的低热输入与电弧增材制造的高沉积效率，有利于大尺寸金属构件的快速成形。对于 Inconel 625 等镍基合金而言，该技术在提升制造效率和降低制造成本方面具有明显优势。
但在实际制造中，沉积过程中的多次热循环、层间重熔与路径规划会共同影响晶粒形貌、晶体取向以及局部应力/应变分布。若仅依赖常规工艺参数优化，往往难以同时兼顾高强度和高延展性。因此，通过结构设计主动调控材料变形行为，成为提升 WAAM 合金综合性能的重要思路。
自然界中的贝壳、骨骼、齿状界面等多级结构往往通过“几何互锁－应变分配－裂纹偏转”等机制实现优异的损伤容限。本研究借鉴这种仿生设计思想，在 CMT-WAAM Inconel 625 中构建锯齿形结构，为增材制造合金强塑性协同提升提供了新的结构设计路径。
图1 仿生锯齿结构设计思路示意。
二、试验方法
本研究采用 CMT-WAAM 工艺制备 Inconel 625 合金样品，并通过路径规划构建具有空间起伏特征的锯齿结构。该结构使沉积层之间不再呈现单一平直界面，而是在宏观几何和微观组织层面形成可调控的结构单元。
为全面揭示结构设计对组织与性能的影响，研究采用多尺度表征方法：通过光学显微镜、扫描电子显微镜、电子背散射衍射等技术分析组织演变；通过拉伸测试和断口分析评价力学性能；结合局部取向差、位错结构和变形特征，进一步阐明材料强塑性协同提升机制。
图2 沉积策略
三、结果与讨论
3.1
仿生锯齿结构构筑
与传统直线路径或均匀层状结构相比，锯齿结构在几何上引入周期性转折和界面起伏，使材料内部形成具有不同局部变形响应的区域。拉伸载荷作用下，不同区域之间发生相互约束和协调变形，从而有助于分散局部应变集中。
这种结构设计的关键不在于单纯改变沉积路径，而在于利用路径诱导的组织差异和几何起伏共同调控变形模式。通过这种方式，材料能够在保持整体承载能力的同时，获得更加稳定的加工硬化行为。
3.2
微观组织特征
微观结构分析显示，CMT-WAAM 过程中的热输入、层间重熔以及路径变化会共同影响晶粒形貌和局部组织分布。锯齿结构区域的组织差异为变形提供了基础，使材料在变形过程中能够产生更丰富的应变分配与位错累积行为。
值得关注的是，锯齿结构并不意味着引入弱界面。合理设计的锯齿界面能够通过几何互锁和组织连续性提高载荷传递能力，降低界面处过早失效风险。
图3 仿生锯齿结构中的微观组织特征示意。
3.3
室温力学性能
力学性能测试表明，仿生锯齿结构能够有效改善 CMT-WAAM Inconel 625 的强度－塑性匹配。与单一均匀结构相比，锯齿结构可通过局部应变协调和加工硬化能力提升，延缓塑性失稳，从而实现更优的综合力学性能。
强度－塑性协同提升是该研究的核心亮点。锯齿结构在拉伸过程中能够改变应变演化路径，使材料内部不同区域共同参与塑性变形，从而避免局部区域过早发生损伤集中。
图4 CMT-WAAM Inconel 625 强塑性协同提升
3.4
变形机制
机制分析表明，锯齿结构能够诱导更加复杂的局部应变分布，并促进锯齿结构软/硬区域之间的协同变形。变形过程中，几何起伏区域与相邻组织区域之间产生相互约束，从而促进位错累积、背应力强化和加工硬化能力提升。
这一机制使材料在承受外加载荷时不再依赖单一均匀塑性变形，而是通过多区域协同承担应变。由此，材料在强度提高的同时仍能保持良好的延展性，为 CMT-WAAM 镍基合金的结构－性能一体化设计提供了重要依据。
图5 仿生锯齿结构调控变形行为的作用机制示意。
四、结论
本研究将仿生结构设计思想引入 CMT-WAAM Inconel 625 合金制造，提出了通过锯齿结构提升强度－塑性协同的新策略。该策略突破了单纯依赖工艺参数优化的传统思路，强调利用结构单元设计主动调控材料变形行为。
研究结果表明，锯齿结构能够改善局部应变分布，增强不同区域之间的协调变形能力，并提升材料加工硬化能力。该机制有助于缓解增材制造合金中常见的局部应变集中问题，从而实现更优的强塑性匹配。
该成果不仅丰富了 WAAM 镍基合金强韧化机制研究，也为航空航天、能源装备和复杂大型金属构件的高性能增材制造提供了新的设计思路和技术参考。
五、论文链接
论文题目：Enhancing strength-ductility synergy in CMT-WAAM Inconel 625 via a bio-inspired zigzag heterostructure
期刊：Materials Science & Engineering A
作者：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
文章涉及增材制造技术归属分类
文章涉及技术
ISO归属大类
ISO归属细分类目
电弧增材制造（WAAM）
定向能量沉积（DED）
电弧定向能量沉积（DED-Arc）
点击了解更多金属增材制造技术标准分类信息
免责声明
此文内容仅分享使用，如有版权问题请联系处理或删除。
@群管理
扫码添加行业交流群管理员企微
“邀您进入行业群聊，共寻增材繁荣新答案”
增材工业官网
www.zengcaigongye.com
“分享是最好的学习方式。”
