溶接に基づくニッケル基超合金の付加的再製造技術の分析

著者: 王開博、呂耀慧、徐斌氏、孫哲氏 (国防科学技術装備再生技術重点実験室、装甲部隊工学院)

ニッケル基高温合金は、その耐高温性、耐腐食性、複合応力に対する耐性により、タービンエンジンの作動翼、ガイドベーン、航空機エンジン、産業用ガスタービンなどの高温部品の製造に広く使用されており、「エンジンの心臓部」とも呼ばれています。しかし、これらの部品が高温、複雑なストレス、特に海水などの複雑な環境下で動作する場合、ひび割れ、摩耗、破損、腐食が発生しやすく、その結果、多くの部品が廃棄されることになります。廃棄部品を「再生」するための付加的再製造技術を使用すると、その価値を最大限に高め、莫大な経済的利益を得ることができます。

付加製造技術とは、付加製造技術を使用して廃棄部品を再生・修理することです。

まず、デジタル処理のいくつかの原理を使用して、部品の 3D デジタルモデルをスキャンします。
次に、デジタルモデルを後処理して、欠陥部品の 3D デジタルモデルを取得します。
最後に、欠けている部分を層ごとに積み重ねて直接かつ迅速に処理します。

CNC CAD/CAE/CAM、溶接、新素材などの既存の成熟技術を基盤として構築されており、その中核コンセプトは「層ごとの積み重ねと層状成形」です。米国は20世紀初頭からB-52爆撃機やM1戦車などの軍事装備品の付加的再製造を実施し、兵器システムのアップグレードと再製造技術を国防科学技術の重点研究分野に挙げてきた。中国はまた、さまざまな軍事装備品に付加製造技術を適用することに成功し、莫大な経済的利益を生み出している。積層造形技術自体がまだ十分に成熟しておらず、研究もまだ初期段階にあるため、早急に解決すべき問題が数多く存在します。この目的のために、溶接ベースの付加的再製造技術の研究状況を簡単に紹介し、さまざまな溶接プロセスを比較することにより、将来の開発のための研究ホットスポットを提案します。

1. 溶接工程
タングステン不活性ガス溶接 ガスタングステンアーク溶接（GTAW）は、タングステン棒をアークの一方の極として使用するガスシールドアーク溶接法です。その応用範囲は非常に広く、特にレーザークラッディングと比較すると、銅、アルミニウム、マグネシウムなどの非鉄金属の付加的な再製造をより簡単に処理できます。また、アーク長とアーク安定性が良好で、溶接電流の下限はワイヤ溶滴遷移などの要因によって制限されず、最小溶接電流は 2A です。しかし、まだいくつかの欠点があります。一方では、タングステン電極の収容能力には限界があり、過度の電流はタングステン電極を容易に燃やし、それによって溶融深度を制限します。他方では、電流が増加するにつれて、タングステン電極アークの発散が深刻になり、溶融池が形成後に崩壊し、成形品質に重大な影響を及ぼします。

GTAW プロセスに影響を与える要因には、主に溶接電流、タングステン電極の直径、アーク長、アーク電圧、溶接速度などがあります。その中で、溶接電流は、GTAW溶接部の形成を決定する重要なパラメータです。他の条件が変化しない場合、溶接電流の増加は、アーク圧力、入熱、アーク柱径の増加につながり、溶接の溶け込み深さと幅を増加させます。アーク長の範囲は通常0.5〜3.0 mmです。形成された部品の変形が小さい場合、アーク長は下限を取り、それ以外の場合は上限を取ります。溶接速度は、GTAW入熱と溶接形状を調整するための重要なパラメータです。溶接電流を決定した後、溶接速度には対応する値の範囲があります。この範囲の上限を超えると、亀裂やアンダーカットなどの欠陥が発生する可能性があります。

プラズマアーク溶接 プラズマアークを溶接熱源として利用する積層造形法をプラズマ積層造形法（Plasma Additive Remanufacturer、PAR）と呼びます。そのうち、プラズマアークは圧縮タングステン不活性ガスアークです。タングステン不活性ガスアークの最高温度は10000〜24000Kで、エネルギー密度は104W / cm2未満です。プラズマアークの温度は24000〜50000Kと高く、エネルギー密度は106〜108W / cm2に達することがあります。ノズルの機械的圧縮に頼り、最小電圧原理によって生成される熱圧縮とアーク柱自体の電磁圧縮を伴うことで、プラズマアークのエネルギー密度はタングステン電極アルゴンアークのエネルギー密度をはるかに上回り、レーザーのエネルギー密度に達することさえあります。図1は、2つのアークの形状の比較を示しています。自由アークの拡散角度は約45°ですが、プラズマアークの拡散角度はわずか5°です。

レーザー溶接電源と比較すると、PAR は絶対的なコスト優位性を持っています。データによると、一般的なレーザー溶接電源の価格は一般的に約 50 万ドルですが、プラズマアーク溶接電源の価格はわずか 7,000 ドルで、レーザー溶接電源の価格の 2% 未満です。 GTAW と比較すると、PAR のプロセス調整はより複雑で、主にノズル構造、電極の引き込み、イオンガスの流れ、溶接電流、溶接速度、ノズルの高さなどが含まれます。その中で、ノズル構造と電極の引き込みは、他のプロセスパラメータを選択するための前提条件であり、通常は材料の種類と成形条件に応じて決定されます。イオンガス流量はプラズマアークの浸透を決定します。イオンガス流量が大きいほど、アーク浸透能力は強くなります。

レーザークラッディング成形 レーザーを熱源として使用する積層造形技術は、通常、レーザー堆積形成 (LDF) と呼ばれ、最も広く開発されている積層造形技術の 1 つです。 LDF 成形品質を制御する主な要因には、レーザー出力、スキャン速度、粉末粒子サイズ、粉末供給量、キャリアガス流量などがあります。 GTAW や PAR と比較して、LDF 成形プロセスでは粉末のレーザーへの吸収率を考慮する必要があります。粉末供給量が一定の場合、レーザー出力とスキャン速度を調整することで必要なレーザーエネルギーを得ることができます。 LDF の顕著な特徴は、エネルギー密度が高く、アーク熱が集中し、溶接熱影響部が小さく、温度勾配が大きく、成形効率が高いことですが、溶接後に残留応力が大きいため、レーザーの入熱を調整するためにパルス方式がよく使用されます。現在の研究結果によると、パルスレーザークラッディングでは、熱入力がわずかに低減し、溶接形成をより適切に制御できることが示されています。

対照的に、GTAW と PAR は高い入熱量を提供するため、溶接後の熱影響部が増加し、成形後のワークピースの微細構造と特性が劣化します。パルスプロセスを採用することで、パルスピーク電流を使用して母材を溶融し、ベース電流を使用してアークを維持できます。ピーク電流とベース電流の交互の変化により、溶接プロセスの熱蓄積を効果的に分散し、溶接の熱影響部を減らすことができます。 Balachandar らの研究によると、適切なパルスプロセスパラメータを使用すると、GTAW 溶接の熱影響部を効果的に減らすことができ、それによって溶接継手の機械的特性が向上するとともに、溶接継手の硬度値も向上して安定し、さらに機械的特性は溶接熱処理後よりも優れていることが示されています。 Chenらはパルスプロセスを使用してキーホールPARとGTAWを比較・分析しました。その結果、パルスプラズマアーク溶接は溶接熱影響部の幅を効果的に縮小し、溶融部の金属構造をより緻密にすることができることが示されました。

異なる溶接プロセスにおける急速成形の総合的な有効性を比較するために、Martina らは、直接成形幅や層間高さなどのパラメータを使用してモデル化しました。その結果、PAR は GTAW と LDF の両方の直接成形よりも大きな利点があることが示されました。異なる溶接プロセスの成形性の比較を図 2 に示します。まとめると、異なる溶接プロセスに基づく積層造形技術にはそれぞれ特徴があります。GTAW は効率が高く、設備コストが低いですが、入熱が大きく、部品の成形精度が高くありません。パルス LDF は入熱が少なく、溶接熱影響部が小さく、成形効果が優れていますが、設備が高価です。PAR 技術は設備コストの面で LDF よりも大きな利点があり、堆積効率は約 98% で、最大堆積速度は 1.8kg/h に達します。成形部品の有効幅と堆積速度は、GTAW や LDF よりも高くなります。

2 組織とパフォーマンス

溶接に基づく付加的再製造成形技術は、熱源エネルギー入力、CAD モデルスキャンデータ、溶接パス計画など、複数のパラメータの影響を受ける複雑な溶接プロセスであり、これらはすべて微細構造の形態、粒成長モード、粒界介在物および偏析に影響を与え、それによってニッケルベースの高温合金の全体的な性能に影響を与えます。これについては国内外の学者が詳細な比較研究を数多く行ってきました。

成形部品の微細構造特性 何少華はインコネル718合金を使用してLDFで成形部品を得、その堆積構造を詳細に分析した結果、クラッド層構造は方向性成長の柱状樹枝状結晶で構成され、成長方向は母材から外側に向かっており、樹枝状結晶間にはMoやNbなどの元素の偏析と少量の炭化物生成があり、母材の引張強度に悪影響を及ぼしていると結論付けました。試験の結果、室温での堆積サンプルの引張強度は、変形合金の50%未満であり、熱処理プロセス後には結晶粒が微細化され、一部の樹枝状結晶の偏析が解消され、試験片の降伏強度と引張強度が大幅に向上しました。これは、堆積柱状結晶が堆積の軌跡に沿って真上に向かって方向性を持って成長することを発見した米国のディンダらの研究結果と似ています。溶融池の冷却速度が異なるため、図 3 に示すように、成形部品の構造が下から上まで不均一になります。同時に、Dinda らは、熱処理中に柱状樹枝状結晶が 1200°C の温度で等軸結晶に変化し、700°C で γ' 相と γ'' 相が析出するとサンプルの微小硬度が増加することを発見しました。

図 3 レーザー高速成形により堆積したニッケル基高温合金の微細構造特性 Xu Fujia は、図 4 に示すように、PAR を使用して Inconel625 薄肉部品を形成しました。結果は、微細構造が下から上に向かって異なる形態特性を示していることを示しています。
1) 底部構造は、二次樹状突起が発達していない微細な細胞状結晶を示しています。
2) 構造の中央部には明らかな細胞状樹状突起形態があり、樹状突起間の距離が広がっています。
3) 標本の上部に、より発達した二次横枝が現れ、樹状突起間の距離が大幅に増加した。
4) サンプルの上部に柱状結晶から等軸結晶への遷移領域が現れる。
文献の著者らは、付加的な再製造プロセスにおいて、温度勾配の増加、冷却速度の増加、および熱入力の減少のすべてにより、構造の核形成速度が増加し、それによって粒子が非常に小さくなり、全体的な構造がより密になることを発見しました。実験測定により、この場合、形成された部品の引張機械的特性が向上することが示されました。以上の研究結果は、堆積組織における柱状樹枝状結晶の形成原因が冷却速度と入熱量の変化であることを示しており、そのほとんどは定性的な記述である。樹枝状結晶の大きさ、分布、間隔と冷却速度、入熱量との定量的な関係に関する研究はほとんどない。

プロセスパラメータが微細構造と性能に与える影響

スキャンパス Wurikaixi Ayiti は PAR 技術を使用して、異なる走査経路が成形部品の機械的特性に与える影響を研究しました。その結果、走査経路に平行な方向の試験片の引張強度が他の方向よりも高く、可塑性が最適であることが示され、成形部品がマクロスケールで異方性があることがわかりました。 Xi Mingzhe らが多方向結合法 (異なる方向に交互にクラッディング) を使用して得た試験片は等方性を示しました。試験片の引張強度は溶接ワイヤよりも優れていましたが、前者の可塑性は溶接ワイヤよりも低かったです。 Liuらは、異なる堆積経路の変化に基づいて、インコネル718合金のLDF微細構造と特性を体系的に研究しました。その結果、単一の堆積経路と可変堆積経路で得られたサンプルの引張強度は同等でしたが、前者の伸びは後者よりも大幅に低いことがわかりました。特定の経路条件下では、積層造形法で得られた成形部品は性能に異方性を示すため、成形方向に垂直な積層部品と母材の接合部の機械的特性を研究することが特に重要ですが、現在中国ではこの分野の研究はほとんど行われていません。

熱入力 Fei Qunxing らは、さまざまな LDF プロセスパラメータが試料の微細構造と特性に与える影響を研究し、次のことを発見しました。
1) 堆積方向に沿った再溶融帯の断面は薄片状で、ほとんどが柱状結晶であり、粒子は放射状に上向きに成長します。
2) レーザー出力と熱入力が増加すると、粒子の交差層成長が観察され、再溶融領域の厚さが大幅に増加します。
3) 過剰な電力は熱の蓄積を増加させ、サンプルにテクスチャを引き起こし、柱状結晶の外側の界面に熱亀裂が形成されやすくなります。
Ganesh らは、プロセスパラメータが成形性能に与える影響に関する研究で、プロセスパラメータが堆積効率に影響を及ぼし、組織形態に大きな変化を引き起こし、柱状樹状結晶と細胞状結晶の混合形態を形成する可能性があることを発見しました。 Xu Fujia らは、ピーク電流、パルス周波数、溶接速度、ワイヤ送給速度が PAR 成形部品の微細構造と特性に及ぼす影響を研究し、低いピーク電流と高い溶接速度では、細かくて緻密なデンドライト構造が得られ、析出した Laves 相と金属炭化物が分散して分布していることを発見しました。パルス周波数を上げるか、ワイヤ送給速度を下げると、構造が粗くなり、Laves 相と金属炭化物が増加し、連続的な分布特性を示します。上記の研究結果は、積層造形プロセスにおける周期的な入熱によって生じる蓄熱効果が成形部品の微細構造と性能に与える影響を反映していますが、いずれも定性的な記述を採用しており、蓄熱効果に関する定量的な研究が欠けています。

冷却速度 GTAW は入熱量が少なくエネルギー密度が低いため、加熱中の成形部品の冷却速度は PAR や LDF よりも低くなります。王偉らは、図5に示すように、インコネル718合金における炭化物とラーベス相の析出則に対する異なる冷却速度の影響を体系的に研究しました。上記の結果は次のことを示しています:
1) 冷却速度が遅い場合、炭化物は樹枝状結晶の間に鎖状に分布し、大きな塊に連結されます。
2) 冷却速度が速まると、炭化物は徐々に小さな破片に変化し、そのサイズは減少します。
3) 炭化物と同じような凝集状態ですが、冷却速度が速くなるにつれて分散し、サイズも徐々に小さくなります。
Yin らは、炭化物析出量と形態が合金の機械的特性に重要な影響を及ぼし、分散して分布しサイズが小さい炭化物ほど形態が優れていると提案しました。ラーベス相のサイズが 1 μm 減少すると、室温断面の収縮率は 2.5% 増加する可能性があります。これまでのところ、Laves 相を完全に除去することが可能であることを証明する関連レポートはありません。したがって、Laves 相のサイズと量に対するプロセスパラメータの定量的な影響を調査することは非常に重要です。

3 開発と展望 付加的再製造技術、プロセス、組織のパフォーマンスの特性を考慮して、将来の研究ホットスポットは次の側面に焦点を当てます。
1) 成形部品の精度向上と熱影響部の低減。パルスプロセスを導入することで、ピーク電流、ベース電流、パルス周波数、デューティサイクルなどのプロセスパラメータを調整して、積層造形の入熱と冷却速度を正確に制御できるようになり、溶融池のサイズをより適切に制御して成形精度を向上させることができます。
2) 成形部品の微細構造を最適化します。
1 つは、デンドライトの大きさ、分布、間隔と冷却速度および入熱との間の定量的な関係を研究することです。
2 つ目は、異方性の悪影響を回避するために、成形方向に垂直な添加剤部分とマトリックス間の接合部の機械的特性を研究することです。
3つ目は、再製造プロセスにおける周期的な熱入力によって生成される熱蓄積効果が成形部品の構造と性能に与える影響を研究し、有害なラーベス相の析出を減らし、成形部品の機械的特性を向上させることです。

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