機能傾斜材料のための選択的レーザー溶融およびコールドスプレー複合付加製造技術

機能傾斜材料のための選択的レーザー溶融およびコールドスプレー複合付加製造技術
寄稿者: 張暁宇、李迪塵

選択的レーザー溶融技術は、高エネルギーレーザー熱源を使用して金属粉末を溶融し、層ごとに積み重ねてニアネットシェイプのワークピースを製造するプロセスです。この技術は、加工精度が高く、性能が優れているという特徴があります。ただし、選択的レーザー溶融技術では、互換性のない材料、溶接できない材料、反射率の高い材料(アルミニウム合金など)を製造するときに内部欠陥が発生しやすく、性能に影響を与えます。コールドスプレー技術は、ラバルノズルを通して粉末を超音速まで加速し、堆積させるプロセスです。この技術は冷間加工プロセスであるため、溶接できない材料の積層造形を実現できます。ただし、質量強度比が高く、硬度が高い材料(TC4など)を加工する場合、コールドスプレー技術による堆積を実現するのはより困難です。選択的レーザー溶融法とコールドスプレー法の積層造形技術は、機能性傾斜材料の形成に応用できます。


図1 複合材製造試料の模式図 ダブリン大学トリニティ・カレッジのShuo Yinらは、選択的レーザー溶融とコールドスプレー複合材積層製造技術を使用して、選択的レーザー溶融チタン合金上にアルミニウム合金をコールドスプレーすることで機能性傾斜材料を加工することに成功し、その微細構造を研究しました。この複合付加製造プロセスは、異なる材料の接合部における脆性相の出現を効果的に防止し、溶接不可能な金属成分を含む緻密で機械加工可能な傾斜機能材料を形成します。この技術により緻密な微細構造が得られますが、それでも一定の欠陥が残ります。 TC4を選択的レーザー溶融法で製造する場合、未溶融粒子の蓄積と表面粗さの影響により、サンプルに大きな穴欠陥が発生します。コールドスプレープロセスでは、欠陥は主に粉末の不完全な塑性変形によって生じる小さな穴として現れます。選択的レーザー溶融法で製造された TC4 サンプルの粒子は、粉末材料の α 相および β 相とは異なる針状のマルテンサイト構造を示し、硬度が増加します。コールドスプレー処理中に粒子構造は変化しませんでしたが、加工硬化効果により、サンプルの硬度は粉末に比べて大幅に向上しました。さらに、破壊解析により、傾斜機能材料の方が結合強度が高いことが示されました。


図 2 複合材で製造された試験片の内部欠陥。この研究では、複合材の製造方法を実​​証し、形成された試験片のマイクロメカニクス分析を実施し、機能性傾斜材料の将来の積層製造方法に新たな可能性を示しました。

参考文献:
Shuo Yin、Xingchen Yan、Chaoyue Chen、Richard Jenkins、Min Liu、Rocco Lupoi、「選択的レーザー溶融とコールドスプレーによるAl-Ti6Al4V機能傾斜材料のハイブリッド積層造形」、Journal of Materials Processing Technology、第255巻、2018年、650-655ページ、ISSN 0924-0136、

寄稿者: 張暁宇、李迪塵 寄稿部署: 機械製造システム工学国家重点研究室

適用可能な、適している、使用される、機能の

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