熱処理なしで高性能Al-6Mg-0.3Sc合金をアーク積層造形する

熱処理なしで高性能Al-6Mg-0.3Sc合金をアーク積層造形する
出典: WAAM アーク アディティブ

積層造形部品の熱処理中に解放される残留応力は、特に薄壁の特徴とさまざまな断面を持つ部品では、大きな歪みを引き起こす可能性があります。従来のAl-Mg合金は熱処理不可能な材料です。スカンジウム（Sc）を添加すると、Al3Scナノ析出物が形成されます。凝固中に、一次Al3Sc（マイクロメートルレベル）は不均一核生成点として機能し、粒子を微細化します。適切な熱処理後、二次Al3Sc（ナノメートルレベル）粒子が析出され、転位と亜粒界を固定して合金を強化し、大型部品の形成に有利になります。複雑で高価な後熱処理を必要とせず、堆積後すぐに使用できます。


アークモードはアーク積層造形における重要なパラメータであり、コールドメタルトランスファー+パルスアーク（CMT + PA）モードにおける粒径と多孔度に大きな影響を与えます。異なるアークモードが粒径と多孔度に与える影響のメカニズムに関する詳細な研究はまだ限られており、微細構造の進化と強化メカニズムへの影響はまだ不明です。 Al-Mg-Sc 合金の積層造形に関する文献では、部品の強度と塑性の相乗効果を大幅に改善するバイモーダル微細構造が報告されていますが、積層造形の分野におけるバイモーダル構造の制御はまだ実現されていません。

最近、西安交通大学は、工学技術分野のトップジャーナルである「Journal of Manufacturing Processes」に「高性能熱処理フリーAl-6Mg-0.3Sc合金のワイヤーアーク指向性エネルギー堆積」と題する研究成果を発表しました。本研究では、アーク添加技術を用いることで熱処理を必要としない高性能Al-6Mg-0.3Sc合金部品の製造に成功し、降伏強度223.0±0.9MPa、引張強度408.5±3.2MPa、伸び20.6±1.7%という優れた機械的特性を達成した。結果は、CMT + PA アーク モードでは、CMT アーク モードと比較して、より明らかな二重ピークの微細構造が生成され、伸びが向上することを示しています。機械的特性強化のメカニズムは、析出強化よりも固溶強化と粒界強化に依存します。さらに、この研究では、液滴遷移と微細構造の進化との相関関係が初めて確立されました。


図1. WAAM システム:
(a) 概略図; (b) 成形装置;
（c）堆積戦略、（d）サンプル採取場所およびサイズ。
（e）CMTアークモードサンプル
(f) CMT + PAアークモードサンプル


図2. CMTアークモード:
(ag) 溶融液滴遷移画像と模式図
(h) 電流と電圧の波形

図3. CMT + PAアークモード:
（ag）液滴移動の画像と模式図
(h) 電流と電圧の波形


図4. 異なるアークモードにおける溶融プールの形態:
(a) CMT; (b) CMT + PA


図 5. さまざまなアーク モードの XCT 画像と開口統計:
(a) CMT; (b) CMT + PA


図6. 異なるアークモードにおけるAl-Mg-Sc合金のXRDパターン


図7. 異なるアークモードでの金属組織画像:
(a) CMT; (b) CMT + PA


図8. CMTおよびCMT-PAサンプルのEBSD分析：
CMTサンプル: (a1) IPF(逆極点図)画像。
（a2）粒度分布
(a3) PF（極図）図
CMT + PAサンプル: (b1) IPF画像;
（b2）粒度分布
(b3) PF図


図9. 異なるアークモードでのFG領域
SEM画像と対応するEDS画像：（a）CMT、（b）CMT + PA


図10. 異なるアークモードでのCG領域
SEM画像と対応するEDS画像：（a）CMT、（b）CMT + PA

主な結論<br /> 本研究では、アーク積層造形技術を用いて、熱処理を必要としない高性能Al-Mg-Sc合金部品を製造することに成功しました。さまざまなアークモードが機械的特性、欠陥、微細構造、強化メカニズムに与える影響が明らかになります。

（１）CMT+PAアークモードを用いることで、堆積直後の状態で降伏強度223.0±0.9MPa、引張強度408.5±3.2MPa、伸び20.6±1.7%の機械的特性を達成することができる。これは主に固溶強化と粒界強化によるものであり、計算結果は実験結果と一致しています。

（２）CMT+PAアークモードは、平均粒径を7.1±1.65μmまで微細化し、気孔率を0.028%まで低減することができる。

（３）CMT+PAアークモードの独特な液滴移行プロセスと低い熱入力により、より明らかな二峰性の微細構造（粗いCGと細かい大面積FG）が生成された。 CMT + PA アーク モードによって誘発されるより顕著なバイモーダル微細構造により、HDI の強化が促進され、降伏強度と伸びの両方が向上します。

（４）本論文では、アーク積層造形法で製造されたAl-Mg-Sc合金部品の堆積性能を向上させる実行可能な方法を提案し、アーク積層造形法で製造された大型部品に必要な面倒な熱処理を回避する方向性を示している。

連絡先著者<br /> 方学偉氏は西安交通大学機械工学部の准教授です。中国科学技術協会第7回若手人材支援プログラムの候補者であり、院士の呂炳恒氏の教え子です。主な研究方向は、大型金属部品の効率的な積層造形技術と設備、金属積層造形の微細構造性能制御、金属積層造形プロセスの数値計算とシミュレーションです。金属積層造形の分野では、Addit Manuf、Virtual and Physical Prototyping、Int J Extreme Manuf、Int J Mach Tools Manufなどの国際的に高水準のSCIジャーナルに40本以上の論文を発表し、中国語の教科書を1冊出版し、英語の章を1つ、中国語のモノグラフを2つ執筆し、30件以上の国家発明特許を取得しています。彼は、Additive Manufacturing Frontiers、Journal of Mechanical Engineering、Journal of Welding、Electric Welding Machine Magazineなどの中国語および英語のジャーナルの編集委員/若手編集委員を務めているほか、SCIジャーナルFrontiers in Materials and Coatingsの客員編集者、Additive ManufacturingおよびInt J Extreme Manufの分野のトップジャーナルの査読者も務めています。彼は、中国機械工学協会の再製造部門の会員、中国非鉄金属協会の付加製造部門の会員、付加製造部門の青年会員、および溶接部門の青年会員を務めています。彼は、主要なR&Dプログラムプロジェクト、JCJQ主要プロジェクトプロジェクト、中国国家自然科学基金、ポスドク一般/特別資金、航空基金、航空宇宙基金など、20を超えるプロジェクトを主宰してきました。

論文引用
Kai Li、Xuewei Fang、Jiannan Yang、Xinzhi Li、Minghua Ma、Jiahao Shang、Ke Huang。高性能熱処理フリーAl-6Mg-0.3Sc合金のワイヤアーク指向性エネルギー堆積：Journal of Manufacturing Processes125(2024) 589-603。

出典: https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2024.07.088

合金、アーク

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