原子力用途向け鉄クロムアルミニウム（FeCrAl）合金の付加製造技術：レビュー

出典: 揚子江デルタG60レーザーアライアンス

ノーステキサス大学の材料科学工学部とアジャイル・アダプティブ・アダプティブ・アディティブ・マニュファクチャリング・センターの研究者らは、原子力用途の鉄・クロム・アルミニウム合金のアディティブ・マニュファクチャリング技術に関する研究をレビューしました。関連論文は「原子力用途向け FeCrAl 合金の付加製造 - 重点レビュー」というタイトルで Nuclear Materials and Energy 誌に掲載されました。

要点:
1. 鉄・クロム・アルミニウム (FeCrAl) 合金の積層造形 (AM) に関連する課題と利点を紹介します。
2. AM法で製造したFe-Cr-Al合金の微細組織と相変態についてまとめます。
3. AM法で作製したFe-Cr-Al合金の機械的性質と耐酸化性について検討する。
4. AM法で作製したFe-Cr-Al合金の放射線応答の開発展望について議論する。

鉄・クロム・アルミニウム合金（FeCrAl）は、優れた耐高温酸化性と機械的強度を備えており、原子力分野を中心にさまざまな工学分野で幅広く応用できる最先端の材料です。これらのユニークな特性に加えて、多用途の AM 技術による製造の可能性も高いため、これらのアプリケーションでは今後も重要な位置を占め続けると思われます。これを踏まえて、このレビュー記事では、最近の研究の詳細な調査と、Fe-Cr-Al 合金の付加製造における進歩の包括的な概要を示します。この記事では、核融合製造プロセスで遭遇する課題を徹底的に分析し、その微細構造特性を詳細に研究し、その機械的特性と酸化特性を評価し、照射関連の用途における潜在的な使用法を探ります。 AM による Fe-Cr-Al 合金の特性に関する最近の研究結果により、これらの難しい材料の製造に AM を使用することに対する信頼が高まりました。例えば、レーザー溶接された Fe-Cr-Al 合金は、560 °C で最大 1.9 dPa まで照射されても合金の機械的特性に劣化はなく、鍛造合金に匹敵する機械的特性を示しました。
キーワード: Fe-Cr-Al 合金、付加製造、融合製造の課題、高温酸化耐性

図1. (a) L-PBF、(b) L-DEDの概略図。
図 2. レーザー、液体溶融池、ガスの相互作用中の溶融池の酸素吸収および脱酸素経路の概略図。
図 3. 金属凝固形態の模式図。(a) 凝固収縮により柱状樹枝状結晶粒に亀裂が生じる。(b) ナノ粒子の添加により等軸結晶粒の成長が促進され、凝固ひずみに適応する。
図4. アルミニウムとクロムの濃度が主な問題となるFe-Cr-Al合金組成の設計図。図 5. 304L ステンレス鋼の EBSD 画像: (a) イットリウムを添加していない柱状粒子、(b) 5wt% イットリウムを添加した等軸粒子。図6. (a) 粗大付着酸化物粒子を示すSTEM画像とそれに対応するEDSパターン。(b) 粗大付着酸化物のSADパターン。(c)および(d)は、[-4 1 0]方向に沿ったY4Zr3O12酸化物と[-4 1 0]方向に沿ったAl2O3酸化物を強調したシミュレートされた回折スポットを示しています。図7 AM処理されたFeCrAlY-0wt.%TiCのTEM分析。 (a)-(c) 粒子と対応する EDS 分析。(d) コアシェル粒子形成プロセスの概略図。
図8. マルチフィジックスフィールドに基づくL-PBFおよびDEDプロセスの計算分析。 (a)-(d) 溶融池凝固の有限要素シミュレーション。凝固温度 (Tsol) と凝固速度 (Vsol) の違いを示しています。図9. 成形方向に対して平行（a）および垂直（b）のL-PBF印刷サンプルの電子後方散乱回折（EBSD）スキャンとテクスチャ画像。
図10: (a)水平に印刷された316Lサンプルと(b、c)構築方向(BD)に沿って再スキャンされた316LサンプルのEBSD逆極点図とテクスチャ画像。(b)は再スキャン方向(RD)のサンプルを表し、(c)はスキャン方向(SD)のサンプルを表します。図 11. L-DED によって生成された FeCrAl サンプルの高角度環状暗視野走査透過電子顕微鏡 (HAADF STEM) 顕微鏡写真。外向きおよび内向きの酸化物の成長を示しています。
FeCrAl 合金の AM に関する公開された研究は、この製造プロセスとその微細構造特性の可能性と障害についての洞察を提供します。いくつかの研究では、特にレーザーベースの AM 技術におけるナノ酸化物の形成に関して、結果の違いが顕著です。全体として、研究者は集合的な分析を通じて、その後の観察と推論を導き出します。 AM ルートによる Fe-Cr-Al 材料の製造とその照射応答に関する公開文献の限られた研究は、核アプリケーションにおけるパフォーマンスを効果的に向上させるために、これらの材料の AM ベースの製造に関する製造科学をさらに研究する大きな機会があることを示唆しています。以下の主要な側面から検討することができます。

1. 鉄・クロム・アルミニウムをベースにした AM 技術はまだ初期段階にあります。ほとんどの研究では、このシステムに L-PBF および L-DED 技術を採用しています。現在の文献によれば、このシステムでは、電子工学に基づく付加製造技術はまだ同程度には適用されていないようです。

2. AM で製造された FeCrAl の特性と性能は、印刷プロセス中のレーザー出力、スキャン戦略、チャンバー雰囲気などのプロセスパラメータに大きく依存します。特に、チャンバー内の雰囲気は、製造された部品の機械的特性と耐放射線性に影響を及ぼす可能性のある、その場酸化物の形成に重要な役割を果たしていることが観察されています。

3. いくつかの研究では、AM で製造された部品は従来の方法で製造された部品と比較して耐酸化性が優れていることが示されています。これは主に、AM 部品内に好ましい酸化物層が形成されるためです。

4. AM で製造された Fe-Cr-Al 部品の耐放射線性に関する直接的な研究はありませんが、レーザーベースの溶接研究では、AM で製造された Fe-Cr-Al 部品は中性子照射下での放射線応答が良好であることが示されており、AM で処理された Fe-Cr-Al 部品の放射線性能が向上することが期待されます。

上記のリストは文献で入手可能な情報ですが、この比較的新しい FeCrAl AM の分野にはまだ大きなギャップがあり、以下に概要を示します。

1. 限られた Fe-Cr-Al 合金 AM 研究は、AM で製造された Fe-Cr-Al 合金は異方性が高く、慎重な組成制御と物理主導のプロセス最適化が必要であることに留意し、原子力用途に適した組成範囲外の合金に焦点を当ててきました。

2. 計算と実験を組み合わせたアプローチは、レーザーベースの AM で製造された FeCrAl-ODS 合金の加工、構造、特性の関係を根本的に理解するのに役立ち、また、より低コストで、より高性能で、亀裂や気孔などの欠陥のない原子炉部品を製造する道を開きます。

3. 異なる環境下における AM Fe-Cr-Al 合金の高温酸化耐性については、その基礎となるメカニズムをより深く理解するためにさらに調査する必要があるが、他の環境下における AM Fe-Cr-Al 合金の耐酸化性に関する文献は非常に少ない。

4. マトリックス全体に酸化物ナノ粒子を均一に分散させるには、AM 技術における in-situ 酸化の利点を探求する必要があります。

5. AM製造されたFe-Cr-Al合金の照射研究には大きな研究ギャップがあり、AM製造されたFe-Cr-Al合金の原子炉部品への応用を検討する必要がある。

論文リンク: https://doi.org/10.1016/j.nme.2024.101702

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