超音速レーザー堆積技術は新たな積層造形技術となることが期待されている

出典: レーザーコレクション

超音速レーザー蒸着（SLD）技術は、近年開発された新しいタイプのレーザー複合材製造技術であり、表面改質の分野で国内外の学者から広く注目を集めています。この技術は、中国百科事典機械工程編（第3版）の高エネルギービーム方向の項目の1つとして記載されています。コールドスプレー（CS）プロセス中に高出力レーザーを使用してスプレー粒子と基板を同期加熱し、両方を効果的に軟化させて粒子の変形能力を高め、粒子に必要な臨界堆積速度を大幅に低減します。臨界堆積速度が低減されるため、高価なヘリウムの代わりに安価な窒素または圧縮空気を使用して噴霧粒子を加速し、硬質材料の堆積を実現できます。これによりコストが削減され、コールドスプレー技術で堆積できる材料の範囲が広がります。

1. SLD技術の原理と特徴
SLD技術は、コールドスプレー法をベースに開発された新しいタイプのレーザー複合材製造技術です。英国ケンブリッジ大学のウィリアム・オニールの研究グループは、レーザー加熱とコールドスプレーを同期結合するSLD技術を提案しました。その原理の概略図を図1に示します。

この技術では、高圧空気流（圧縮空気または窒素）が 2 つの経路に分割されます。1 つの経路は、粉末フィーダーを介して噴霧粒子を混合室に運び、もう 1 つの経路はガスヒーターによって予熱され、その後、混合室内で噴霧粒子を運ぶ空気流と完全に混合され、ガスと固体の 2 相流を形成します。混合ガス固二相流は加速のためにラバルノズルに入り、噴霧された粒子は超音速でレーザー同期加熱された基板表面に衝突して堆積層を形成します。レーザーヘッドは基板表面の法線に対して一定の角度をなしており、ラバルノズルは基板表面に対して垂直であり、レーザービームと噴霧粉末は部分的に重なり合うため、レーザーは基板の表面積を加熱できるだけでなく、噴霧粉末を予熱して両方を軟化させることもできます。スプレーエリアの堆積温度は赤外線高温計によってリアルタイムで監視でき、レーザーの出力は閉ループフィードバックシステムによってリアルタイムで調整できるため、堆積層の準備プロセス中に一定の堆積温度を確保できます。

図 1 SLD 原理の概略図単一のコールドスプレーや単一のレーザークラッディング (LC)、熱スプレーなどの技術と比較して、SLD 技術には次の技術的特徴があります。
1) SLD技術は、コールドスプレー技術をベースに開発された材料堆積技術です。溶融と凝固による冶金相変化がなく、元の粉末組成をそのまま維持できます。同時に、堆積効率が大幅に向上し、既存の単一レーザー堆積製造の4〜10倍に達すると予想されます。

2) 堆積プロセスはコールドスプレーの低入熱堆積特性を維持しているため、材料の堆積温度はLC、熱スプレーなどの技術よりもはるかに低く、高入熱に存在する相変化、変形、亀裂などの熱誘発性の悪影響を効果的に回避できます。特に、一部の熱に敏感な材料を堆積する場合、その利点はより明らかです。同時に、SLDプロセス中、レーザーの加熱効果により、堆積した粉末とマトリックス材料が効果的に軟化され、粉末とマトリックス材料の塑性変形能力が向上します。そのため、作成された堆積層は、単一のコールドスプレー堆積層よりも緻密で結合強度が高く、高性能の堆積層が得られることが期待されます。

3) レーザーの導入により、SLD技術における堆積粉末の臨界堆積速度は、単一のコールドスプレーに比べて大幅に低下し、より低い衝撃速度で堆積層を形成できます。そのため、高価なヘリウムの代わりに圧縮空気や窒素をキャリアガスとして使用することができ、製造コストを大幅に削減できます。さらに、臨界堆積速度の低減により堆積効率と堆積粉末の利用率が向上し、材料コストを削減できます。

2. SLD堆積層材料の範囲
SLD 技術はコールドスプレーとレーザー技術の利点を組み合わせているため、異なる基板上に単一材料堆積層または複合材料堆積層を準備できます。表 1 は、現在の文献で報告されている SLD 技術を使用して作成された堆積層の概要です。

著者の研究グループは、SLD 技術を使用して、単一の LC 技術または単一のコールドスプレー技術では実現不可能な、グラファイト化されていない、割れのない、ダイヤモンド含有量の高い Diamond/Ni60 複合堆積層を作成することに成功しました。ダイヤモンドは高温酸化雰囲気下では黒鉛化相転移や酸化アブレーションを起こしやすく、Ni60はLCプロセス中に高い亀裂感受性を示すため、材料の高温溶融プロセスに基づくLC技術では高品質のダイヤモンド/Ni60複合堆積層を得ることが困難です。しかし、コールドスプレー技術は、堆積を実現するために材料の塑性変形に依存しており、高硬度で低塑性な材料堆積層を準備することが困難です。コールドスプレー技術を使用して金属ベースのダイヤモンド複合堆積物をうまく調製した人もいますが、これらの複合堆積物はすべて結合相として軟質金属を使用しており、結合相として高硬度金属（Ni60など）を使用してダイヤモンド複合堆積物をうまく調製した人はいません。さらに、SLD 技術は、単一の LC 技術では実現が難しい銅、アルミニウム、およびそれらの複合材料を効果的に堆積できます。

SLD 技術は、蒸着材料の範囲に関して従来の蒸着技術の限界を打ち破り、蒸着材料と基板材料の選択においてより大きな柔軟性を持ち、プロセスの適応性が良好で、幅広い分野の表面改質や再製造のニーズを満たすことができることがわかります。

3. SLD堆積層の相と微細構造
LC 技術は、高エネルギー密度レーザービームによる急速溶融を利用して、基材の表面に、マトリックスと融合し、組成と特性がまったく異なる合金クラッド層を形成します。その微細構造は、典型的なデンドライト構造です。コールドスプレー技術は、材料の塑性変形に基づいてワークピース表面に固体堆積を実現するプロセスであり、元の粉末材料の物理的相と微細構造を維持することができます。 SLD技術はLCとコールドスプレーの利点を組み合わせたもので、堆積層の物理的相と微細構造の進化は国内外の多くの学者の注目を集めています。

4. SLD堆積層の特性評価
SLD 堆積層の性能は、多くの場合、その組成、微細構造などに関係しています。そのため、SLD 堆積層の性能は、国内外の研究者からも広く注目を集めています。

01堆積層の密度<br /> 堆積層の密度に関しては、関連する研究結果によると、レーザーの補助によりコールドスプレー堆積層の密度が大幅に向上し、レーザー照射温度の上昇が複合堆積層の密度の向上につながることが示されています。単一のコールドスプレー堆積物の密度が低い主な理由は、スプレーされた粉末の塑性変形が不十分なことです。 SLD はレーザーを導入して堆積した粉末と基板を加熱するため、粉末が効果的に軟化され、堆積プロセス中の塑性変形がより完全になり、粉末間の結合がより良くなり、堆積層の密度が高くなります。さらに、SLD 技術は、緻密な金属セラミック複合堆積層の製造に大きな利点があります。レーザー照射により金属結合相が効果的に軟化され、脆いセラミック粒子が高速で衝突して結合相に埋め込まれ、緻密に結合した複合堆積層が形成されます。

02組み合わせ性能
SLD堆積層の接合性能（堆積層と基板間の接合、堆積層内の粒子間の接合を含む）も、国内外の学者の注目を集めています。

堆積層/基板界面の結合強度を向上させることに加えて、堆積層内の結合強度も非常に重要です。シングルコールドスプレー技術では、スプレーされた材料は断熱せん断不安定性を起こし、圧力下で塑性流動を生じ、粒子間および粒子とマトリックス材料間の混合と機械的連結が生じます。堆積層/マトリックスは、結合強度の低い機械的結合を示し、厚さが一定レベルに達すると剥離につながります。 SLD は、コールドスプレー法をベースにレーザー同期照射を導入します。レーザー加熱と断熱加熱の作用により、堆積層の内部と界面の元素が拡散し、冶金結合を形成します。 SLD 堆積層内部および堆積層と基板間の結合メカニズムは、機械的連結と冶金的結合が共存しています。堆積層の結合性能はコールドスプレー堆積層よりもはるかに優れているため、任意の厚さの効果的な堆積を実現できます。

03 耐摩耗性<br /> 材料の耐摩耗性は多くの場合、その硬度と関連しています。そのため、国内外の多くの学者が SLD 堆積層の微小硬度を特徴付けてきました。関連する研究結果によると、SLD 堆積層の微小硬度は LC 堆積層よりも高く、より優れた耐摩耗性を示すことが示されています。

国内外の学者は、微小硬度の観点からSLD堆積物の耐摩耗性を間接的に反映するだけでなく、摩擦と摩耗の実験を通じてSLD堆積物の耐摩耗性を直接的に特徴付けています。堆積層の耐摩耗性は、硬度、接着性、柔軟性などの堆積層の物理的特性と密接に関係しています。 SLD プロセス中、噴霧された粒子は堆積領域に高速で連続的に衝突し、両者に激しい塑性変形を引き起こします。材料の塑性変形中に、粒子が滑り、転位密度が増加し続け、固定段差と転位の絡み合いが生成され、転位のさらなる移動が妨げられます。堆積層は加工硬化を起こし、堆積層の硬度が増加します。同時に、SLD テクノロジーは元の材料の組成と微細構造を維持し、堆積層の強靭性を保証します。さらに、レーザー加熱により、堆積層内の一部の堆積粒子間で元素の相互浸透が起こり、堆積層内の結合強度が向上します。したがって、SLD 特性が堆積層の硬度、接着性、柔軟性などに寄与し、その結果、準備された堆積層は LC 堆積層やコールドスプレー堆積層よりも優れた耐摩耗性を持つことになります。

04耐食性<br /> 耐食性は材料の非常に重要な特性であるため、SLD堆積層の耐食性も国内外の研究者の注目の的となっています。 SLD プロセスでは、レーザー照射による軟化効果と高速粒子衝突による圧縮効果により、堆積層の多孔性が低くなり、堆積層の表面が比較的緻密になるため、腐食性媒体の浸透に効果的に抵抗し、基板を効果的に保護することができます。さらに、SLD は、基板による堆積層の希釈を回避し、元の溶射材料の組成と相構造を保持し、溶射材料の優れた耐食性を継承できる固体堆積プロセスです。

5SLD開発動向
SLD技術は、コールドスプレーとレーザー技術の利点を組み合わせたもので、堆積効率、相/組成制御、性能調整などの面で、従来のLC、熱スプレー、コールドスプレーなどの材料堆積技術に比べて一定の利点があり、非常に有望な製造技術です。これは、新しい表面改質および再製造技術であるだけでなく、新しい積層製造（3Dプリント）技術になることが期待されており、積層製造の効率、材料範囲、品質管理の難点を大幅に突破し、最も有望な積層製造技術の1つです。しかし、この技術を広く普及させるためには、以下の面でさらなる進歩が必要です。

1) SLD は多くのプロセスパラメータを伴う複合技術です。実験的手法のみに頼ってプロセスパラメータを最適化するのは、時間と労力がかかります。したがって、数値シミュレーションと実験を組み合わせた方法を使用して、さまざまなパラメータの相互影響を調査し、レーザーと超音速粒子のエネルギー場との結合メカニズムを確立し、レーザーと堆積粒子との相互作用関係と堆積メカニズムを明らかにして、プロセスパラメータの最適化と選択のための理論的なガイダンスを提供することが非常に重要です。

2) SLDシステムは複数のキーユニットを含み、決してそれらの単純な重ね合わせではありません。複数のエネルギーフィールド間の協調結合とインテリジェント制御をどのように実現するか、特にこの技術を使用して積層造形を実現する方法と、経路計画と層別化を効果的に実装する方法が難しい点になります。したがって、特別なプロセスソフトウェアと完全な機器セットの開発が急務となっています。

SLD 技術は、2008 年にケンブリッジ大学のウィリアムオニールの研究グループによって初めて提案されました。彼らはこの技術を使用して、ステライト 6、チタン、タングステンなどの材料のコーティングを準備し、その微細構造、界面結合、機械的特性を評価し、ターゲット材料における SLD タングステン材料の応用可能性を評価しました。

著者の研究グループは、材料堆積および装置開発の分野でケンブリッジ大学と協力し、堆積材料の範囲をステライト-6、Ni60、Ti6Al4Vなどの単一材料からダイヤモンド/Ni60、WC/ステライト-6、WC/SS316Lなどの高硬度/高耐摩耗性複合材料に拡大し、コーティングの微細構造、組成、界面結合、耐摩耗性/耐腐食性の特性評価に焦点を当て、ポンプとバルブ表面の耐摩耗性/耐腐食性コーティング、タービンブレードの耐キャビテーションコーティング、ツールと金型の付加的再製造におけるこの技術の応用可能性を探りました。研究チームは表面改質研究を基に、金属積層造形分野でこの技術の研究をさらに進めました。この技術は、銅合金、チタン合金、高温合金などの材料の高効率固体堆積に使用できます。

出典: レーザーコレクション

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