選択的レーザー溶融法と誘導溶融法で製造されたAlCoCrFeNi高エントロピー合金における元素偏析の比較分析

寄稿者: Li Qingyu、Li Dichen

2004年、台湾の学者である葉俊偉教授とそのチーム[1]は、高エントロピー合金（HEA）の概念を提唱しました。高エントロピー合金は、5 種類以上の元素を 5% ～ 35% の原子比で混合して形成される単純で無秩序な固溶体構造として定義され、性能面では熱力学的高エントロピー効果、構造格子歪み効果、運動ヒステリシス拡散効果、および「カクテル」効果を備えています。ここ数十年の合金理論における 3 つの大きな進歩の 1 つとして、従来の合金設計概念の転覆と独自の高エントロピー効果により、合金は耐高温性、高強度、高硬度、耐腐食性、耐放射線性などの優れた特性を備えるようになりました。既存の高エントロピー合金の成形方法は、主に誘導溶解プロセスによるインゴットの成形であり、合金自体の固有の特性の研究に重点を置いています。しかし、エンジニアリングのニーズに駆り立てられ、この新しい材料とレーザー積層造形成形法を組み合わせた研究は比較的まれです。

2019年にスウェーデンのウプサラ大学化学部のカールソン[2]は、選択的レーザー溶融と誘導溶融によってそれぞれAlCoCrFeNi高エントロピー合金を形成し、電子後方散乱回折（EBSD）によって2つの合金の粒径を評価しました。図1に示すように、選択的レーザー溶融中の急速な凝固速度により、粒径は一般に20μm未満であり、誘導溶融で形成された合金の粒径（> 300μm）よりもはるかに小さくなっています。誘導溶解高エントロピー合金では、デンドライトとデンドライト間領域の化学組成が明らかに異なり、FeCr に富む領域と NiAl に富む領域が存在するのに対し、選択的レーザー溶解合金の微細構造では、ナノスケールで特定の化学組成の変動のみが見られます。原子プローブ断層撮影法（APT）を使用して、誘導溶解によって形成された合金の微細領域をさらに検出しました。図2に示すように、誘導溶解によって形成された高エントロピー合金のミクロ偏析は、選択的レーザー溶解によるものよりも顕著であることがわかります。ホール・ペッチの原理によれば、同じ材料でも、粒径が小さく、ミクロ偏析が小さければ、その材料の機械的特性はより良くなります。この研究は、高エントロピー合金のレーザー積層造形に関する一定の理論的根拠を提供します。しかし、カールソン氏は、AlCoCrFeNi高エントロピー合金の選択的レーザー溶融中に一定量の亀裂が発生し、大型で複雑な高エントロピー合金部品のレーザー積層造形にも一定の困難が生じると指摘した。

図2 AlCoCrFeNi高エントロピー合金の電子後方散乱回折パターン参考文献:
Yeh JW、Chen SK、Lin SJ、他「複数の主元素を含むナノ構造高エントロピー合金：新しい合金設計コンセプトと結果[J]」Advanced Engineering Materials、2004、6 (5): 299-303。
Karlsson, D.; Marshal, A.; Johansson, F.; Schuisky, M.; Sahlberg, M.; Schneider, JM; Jansson, U. AlCoCrFeNi高エントロピー合金における元素偏析 - 選択的レーザー溶融と誘導溶融の比較[J]。Journal of Alloys and Compounds、2019、784: 195-203。

寄稿者: Li Qingyu、Li Dichen 寄稿部署: 機械製造システム工学国家重点研究室

選択的レーザー溶融法と誘導溶融法で製造されたAlCoCrFeNi高エントロピー合金における元素偏析の比較分析

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