レビュー: LPBF 印刷アルミニウム合金の微細構造と機械的特性の制御戦略における最近の進歩

出典: 揚子江デルタG60レーザーアライアンス

燕山大学教育部先端鍛造技術科学重点研究室、中国北方工業集団公司航空弾薬研究所、アルタイ国立工科大学、ハルビン工業大学の研究者らは、LPBF印刷アルミニウム合金の微細構造と機械的特性の制御戦略に関する研究の最新の進捗状況を報告した。関連する研究結果は、「LPBF プリントアルミニウム合金の微細構造と機械的特性の制御戦略に関する最近の進歩」というタイトルで、国際先進製造技術ジャーナルに掲載されました。

レーザー粉末床溶融結合法（LPBF）は、成形精度が高く、複雑な金属部品を印刷できるラピッドプロトタイピング技術であり、航空宇宙分野で使用できます。 LPBF 技術を使用して製造されたアルミニウム合金部品は、他の金属材料と比較して、材料と構造の組み合わせにより軽量構造をよりよく実現できます。しかし、LPBF プロセスでは、印刷された部品の内部に球状化、多孔性、粗大粒子、亀裂などの多くの冶金欠陥が容易に形成され、アルミニウム合金の性能が低下します。上記の問題を解決するために、研究者らは LPBF 製のアルミニウム合金部品の機械的特性の改善について徹底的な調査を行いました。この論文では、微細構造と性能制御戦略という 2 つの側面から、アルミニウム合金の成形品質を向上させる方法について説明します。アルミニウム合金のLPBF処理の研究状況について、プロセスパラメータの最適化、合金元素の修正、強化相の添加、および後処理の観点から議論しました。さらに、LPBF 処理されたアルミニウム合金の微細構造と特性が体系的にレビューされました。

図 1. アルミニウム合金複合構造の製造における LPBF の一般的な用途。

図 2. 異なるエネルギー密度 (a)、レーザー出力 (b)、およびスキャン速度 (c) におけるサンプルの密度。 (d) 凝固の模式図。 (e) 異なるプロセスパラメータで得られた3種類の単一トラック。 (f) 異なるプロセスパラメータ下での単一トラックの表面形態。

図 3. LPBF で使用されるさまざまなスキャン戦略の概略図。

図4. LPBF形成後のAlSi10Mgの3D概略図、OM、SEM、EBSD逆極点図（IPF）：aは0°形成、bは45°形成、cは90°形成。

図5. ac Ar、df N2、gi He下で製造されたAl-12SiサンプルのOM画像と破壊形態。異なる雰囲気下で製造されたAl-12Siサンプルの相対密度、硬度、引張特性。

図 6. 一般的なビーム成形方法。

図 7. a.d. Zr 改質前後の AA6061 粉末、凝固模式図、f. Zr 添加前後の AA7075 アルミニウム合金の凝固挙動、g. Zr 改質後の AA7075 のひずみ挙動。 h AA2024、i Zr-AA2024、j AA6061、k Zr-AA6061 の EBSD 方位マップと対応する極点図。

図 8. LPBF で作製した a、b AlSi10Mg/10SiC、c、d Al-Fe-Ni/TiB2、e、f Al-Si-Mg-Ti/TiC の粒子形態と機械的特性。

図9. ショットピーニング処理の有無によるサンプルのビッカース硬度曲線。 b、c ショットピーニング処理後およびショットピーニング処理なしのサンプルの EBSD 横方向楕円極点図。 dg ショットピーニング処理の有無によるサンプルの破面の断面図。 h、i ショットピーニング処理ありとなしのサンプルの SEM 画像。

研究者らは研究の中で、アルミニウム合金部品の LPBF AM 製造を改善するためのいくつかの重要な方法を特定しました。合金元素を調整し、強化相を添加することで、アルミニウム合金マトリックス内に、より高い体積分率と分散分布を持つ強化相が形成されます。アルミニウム合金の LPBF への適応性は、さまざまな第 2 相間の相互作用によってさらに向上します。適切なプロセスパラメータを選択することで、ボール形成、多孔性、および亀裂欠陥を抑制できます。後処理プロセスを通じて、アルミニウム合金の微細構造が変化し、アルミニウム合金部品の機械的特性が向上し、製造プロセス中に生成された残留応力の一部が解放され、LPBF で製造されたアルミニウム合金の作業性能と耐用年数が向上します。しかし、LPBF アルミニウム合金の開発には、依然としていくつかの重要な課題が残っています。
1. LPBF 中の溶融池の温度変化は複雑なプロセスであり、アルミニウム合金の LPBF 成形品質に影響を与える決定的な要因でもあります。温度場と成形品質の関係は明確に調査されていないため、LPBF 中の溶融池の非平衡冶金プロセスを体系的に研究する必要があります。今後の研究では、溶融池内の温度分布を正確に制御および最適化し、それによって材料の最終的な特性を改善するための高度な数値シミュレーション技術とリアルタイム監視方法の開発に重点を置く必要があります。

2.LPBFは生産効率が低い。生産効率を向上させようとすると、成形の品質や精度に影響が出るため、両者の矛盾を解決するための有効な手段が必要です。 LPBF で作られたアルミニウム合金部品はエンジニアリングに直接使用することが難しく、製造プロセスをさらに最適化する必要があります。今後の研究では、品質を損なうことなく生産効率を向上させる新しいプロセスを開発しながら、レーザースキャン速度と粉末利用率を向上させる方法に焦点を当てる可能性があります。

3. 現在、アルミニウム合金中のさまざまな第二相の最適化メカニズムは明確に説明されていないため、アルミニウム合金の相乗的な強化および靭性化メカニズムをさらに明らかにするために、さまざまな強化メカニズムと強度向上の理論モデルを確立する必要があります。今後の課題としては、微細構造とマクロ特性の関係をより深く理解すること、そして第 2 相の分布と形態を制御することで最適な特性を実現する方法などが挙げられます。これには、高性能アルミニウム合金の設計と製造をサポートする、より予測的かつ指導的なモデルを開発するための学際的なコラボレーションが必要です。

さらに、今後の研究では、自動車、航空宇宙、生物医学分野を含むより幅広い産業用途への LPBF 技術の拡張性にも重点を置く必要があります。研究者は、材料設計とプロセスの革新によって現在の技術的ボトルネックを克服し、LPBF 技術の広範な産業化を促進する方法を探求する必要があります。

論文リンク:

Wang, H., Wang, X., Zou, J. et al. LPBF プリントアルミニウム合金の微細構造と機械的特性の制御戦略に関する最近の進歩。Int J Adv Manuf Technol 134, 4015–4039 (2024). https://doi.org/10.1007/s00170-024-14395-w

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