研究者らは、鋳造、熱間押し出し、3Dプリントされたマグネシウム合金サンプルの微細構造を比較した。

出典: マグネシウム

光沢のある灰色の化学元素マグネシウム (Mg) 合金は、高い強度対重量比と約 1700 kg/m3 の低密度を特徴としており、自動車、航空宇宙、医療分野の技術用途に最適です。しかし、3Dプリントによって多孔質構造を形成すれば、さらに重量を軽減できることが判明した。プラハ化学技術大学とチェコ共和国ブルノ工科大学の研究者チームは、鋳造、熱間押し出し、SLM 技術を使用した 3D 印刷という 3 つの異なる方法で製造された特定のマグネシウム合金の微細構造を研究したいと考えました。

SLM 3D プリンティングは複雑な形状を実現できますが、この方法を使用してマグネシウム合金を製造する場合、主にマグネシウム粉末の反応性が高く、3D プリントされた部品内に危険な酸化物粒子が形成される可能性があるなど、いくつかの問題があります。最近発表された「3D プリントで製造された Mg-4Y-3RE-Zr (WE43) マグネシウム合金の微細構造」と題された研究は、SLM 3D プリントされたマグネシウム合金の微細構造のマッピングに関するものです。

WE43合金粉末のSEM顕微鏡写真

「3D印刷の形でのマグネシウム合金は、比較的新しい生産プロセスですUctural検査は、異なる生産プロセスによって生成される材料の有意な違いを明らかにしました。 D印刷された合金は、非常に洗練された微細構造によって特徴付けられました。さらに、合金化要素が豊富に豊富な植民地性ネットワークがあり、3Dプリント合金の共通の特徴である酸化物もありました。

研究チームは、SLM Solutions 280HL 3D プリンターを使用して、15×5×60 mm の長方形の WE43 マグネシウム合金サンプルを作成し、SEM と EDS を使用して微細構造を調査しました。その後、これらの材料を単純な重力鋳造と熱間押し出しで製造された同じ材料と比較しました。

「最初のサンプルは、産業サプライヤーから購入した寸法60×80×500mmの鋳造ままのインゴットでした。WE43合金サンプルの2番目のバッチは、インゴットの熱間押し出しによって準備されました。直径30mm、長さ60mmのシリンダーをインゴットから直接切り取り、押し出し速度2mm/s、押し出し比16で400℃で押し出しました。得られた押し出しロッドの直径は7.5mmでした」と研究者は説明しています。

「分析の結果、WE43合金粉末粒子の10％は26.9ミクロン、50％は39.8ミクロン、90％は57.9ミクロンのサイズであることがわかりました。したがって、粉末には十分な量の大きな粒子と小さな粒子が含まれていました。粒子サイズに関しては、構築層のサイズは50ミクロンでした。」

研究チームはサンプルの顕微鏡画像を撮影しました。図 2 にその微細構造を示します。

WE43 合金の SEM 顕微鏡写真: a) 鋳造、b) 熱間押し出し、c) SLM による 3D プリント、d) SLM による 3D プリント。
鋳造合金は粗い微細構造を有していたが、熱間押し出し法で製造されたサンプルの微細構造は「大幅に」変化していた。 3D プリントされたサンプルの微細構造は他の 2 つとはまったく異なり、薄い境界に囲まれた約 20 ～ 50 ミクロンの領域が特徴です。

「さらに、灰色の領域の間には暗い領域として残留多孔性が観察されました。灰色の領域の形状とサイズは、これらの領域が元の粉末粒子に対応しているか、レーザービームによって完全にまたは部分的に溶解したことを示しています」と研究者は説明しています。「図2dのより詳細な画像は、これらの粒子の非常に微細な内部微細構造を示しています。そこには、Y元素とRE元素が豊富な樹枝間領域（明るい色）に囲まれたα-Mg樹枝状結晶（暗い色）が含まれています。樹枝状結晶の枝の平均値はわずか約3ミクロンであり、SLMプロセス中の冷却速度が非常に速いことを示しています。SLMプロセスに焦点を当てた文献では、103〜106 K / sの冷却速度が頻繁に報告されています。」

研究者らは材料構造内の元素の分布も研究し、熱間押し出しおよび鋳造材料サンプルの両方で酸素濃度が低いことを明らかにした。しかし、SLM 3D プリントされたサンプルでは、図 5 と表 4 に示すように、異なる状況が示されました。
SLM WE43 合金の微細構造 (SEM) と元素分布マップ (EDS)。
「まず、元素マップとポイント分析から、材料内の酸素濃度が増加していることが分かります。これは主に細孔（ポイント 1）にあり、溶融した粉末粒子間の結合も示しています。粒子内部では、O 濃度は非常に低いです（ポイント 2）」と研究者らは書いています。「次に、図 5 の元素マップから、粉末粒子境界での Y 含有量の増加も分かります。粉末の部分酸化は、造形チャンバー内の SLM プロセス中に発生したと考えられます。おそらく、大気には残留酸素の痕跡が含まれており、これらの元素の化学的親和性が高いため、イットリウムと優先的に反応します。したがって、粉末粒子と多孔性の間に不完全な接続が見られます。」

結果は、SLM 材料の微細構造は高い冷却速度により「極めて微細」であり、合金の酸素ガスに対する親和性が高いため酸素濃度も高いことを示しました。これにより、粉末粒子間に「不完全な接続」が作成されます。および多孔性。研究者らは、このマグネシウム合金についてさらに研究を進め、気孔のない高密度材料を製造し、「残留酸素の有害な影響」を軽減する予定だ。

研究者らは、鋳造、熱間押し出し、3Dプリントされたマグネシウム合金サンプルの微細構造を比較した。

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