積層造形された金属合金の疲労特性

出典: 揚子江デルタG60レーザーアライアンス

トルコのイスタンブール工科大学、ガジ大学の付加製造技術研究応用センターEKTAM、米国のテキサスA&M大学の研究者らが、付加製造された金属合金の疲労特性を検討した。「積層造形された金属合金の疲労性能」と題する関連論文が「Progress in Additive Manufacturing」に掲載されました。

この論文では、積層造形法 (AM) で製造された金属合金の疲労特性をレビューし、その耐久性と潜在的な故障メカニズムに影響を与える主な要因について説明します。さらに、亀裂の発生と伝播、破壊など、繰り返し荷重下で AM 金属に発生する可能性のあるさまざまな疲労メカニズムが調査されます。この記事では、原料粉末の特性、印刷欠陥、微細構造、構築方向、表面仕上げ、残留応力、サンプルのサイズと構造、および熱処理と熱処理後処理の結果の影響を詳細に研究します。このレビューの主な焦点は粉末床溶融結合プロセスですが、アーク AM やその他の金属 AM プロセスに関する関連論文も含まれています。この研究は、AM 処理された金属合金の疲労解析の基本的な難しさと潜在的な利点についての包括的な理解を提供します。また、AM 金属合金の疲労性能に関する将来の研究課題、ギャップ、課題、有望な将来の方向性を体系的に特定します。

図 1 AM 部品の疲労寿命に影響を及ぼす要因図 2 さまざまな条件下での H1050 状態の SLM 17-4 PH SS と鍛造 17-4 PH SS の疲労応力寿命の比較図 3 AMed 部品に存在する一般的な欠陥図 4 L-PBF によって準備された 17-4 PH SS サンプルのフラクトグラムは、形成されたサンプルで、a 球状の穴と b マイクロノッチから亀裂が生成されていることを示しています図 5 気孔サイズの影響を考慮した EBM Ti6Al4V の疲労寿命。（SN曲線は多孔性により破損した部品のみに基づいています）
図 6 破線で表された、a 非円形内部欠陥、b 非円形表面欠陥、c 表面と相互作用する非円形内部欠陥、d 表面と相互作用する 2 つの隣接欠陥、e 表面と接触する傾斜欠陥など、さまざまな非円形欠陥の有効サイズ。図 7 凝固速度と温度勾配が凝固モードに及ぼす影響。図 8 a: E-PBF と b: L-PBF で準備された合金 718 サンプルの微細構造特性の SEM 画像。図 9 機械加工および非機械加工条件下での HIP サンプルと非 HIP サンプルの疲労特性。
図 10 E-PBF で製造された合金 718 の表面状態と小型化による疲労寿命への影響図 11 残留応力発生のメカニズム図 12 積層造形部品の残留応力に影響を与える要因図 13 製造部品の模式図図 14 マルチスケールモデリングフレームワーク積層造形は、従来の製造プロセスに比べて大きな利点があるため、大きな注目を集めています。しかし、このアプローチを使用した重要なコンポーネントの生産はまだ初期段階にあります。これは、従来製造された部品と比較した AM 金属の疲労挙動に関する理解が限られていることに一部起因しています。これらの部品は、耐用年数中に周期的な荷重を受けますが、積層造形された金属の疲労特性は十分に理解されていません。積層造形プロセスから生じる注目すべき特徴としては、欠陥、残留応力、表面粗さ、異方性挙動の生成などが挙げられます。最後に、いくつかの結論を述べます。

1. 製造プロセス中に導入される欠陥、すなわち多孔性および LoF ボイドは、AM 処理された金属の疲労挙動に大きな影響を与えます。これらの欠陥の数、方向、形状、サイズ、位置などの特性は、プロセスパラメータ、成形方向、スキャン戦略、部品構造などの複数の要因によって異なります。これらの欠陥が疲労挙動に与える影響は材料の延性に依存し、延性は特定の製造プロセスとその後の製造後の処理から生じる微細構造によって決まります。

2. HCF 領域に対する欠陥の影響がより顕著になります。これらの欠陥のうち、溶融不足による影響は、その不規則な形状により応力集中が悪化するため、より悪影響を及ぼします。球状のガス封入細孔は、その構造上、応力集中度が低くなります。通常、欠陥は表面近くに集中しており、これらの欠陥は大きな局所応力により疲労性能に大きな影響を与えます。熱間等方圧プレスは、欠陥、特に LOF ボイドの数とサイズを減らす効果的な方法です。最大予想欠陥と疲労寿命との関係は、極値統計を使用して推定できます。

3. L-PBF プロセスは、急速凝固、高エネルギー密度、高熱勾配を特徴とし、大量の残留応力と部品の変形をもたらします。引張残留応力が疲労挙動に悪影響を及ぼすことはよく知られています。ただし、層の配向を最適化し、適切なプロセスパラメータを採用し、製造後の熱処理を実行することで、これらの残留応力を緩和したり、大幅に軽減したりすることができます。これらの要因を注意深く制御することで、残留応力の存在を最小限に抑え、AM 部品の疲労性能を向上させることができます。

4. 製造状態では、AM 部品の表面粗さは通常、従来の方法で製造された部品の表面粗さよりも高くなります。この変動は、製造技術に固有の再現性から生じます。表面粗さに影響を与える要因は多数あり、製造プロセスのパラメータとタイプ、部品の構造、粉末のサイズと方向などが含まれます。注目すべきは、成形シートに向かって下向きに張出された表面は、上向きに収縮する表面に比べて表面粗さが高くなる傾向があることです。

5. AM 部品の疲労亀裂は主にブランクの表面から発生します。したがって、機械加工やその他の技術によって粗い外層を除去することで、AM 部品の疲労性能を大幅に向上させることができます。しかし、AM の主な利点の 1 つが複雑なネット構造を製造できることであることを考慮すると、AM で製造された複雑な構造を機械加工することは困難であり、実行不可能な場合もあります。したがって、より滑らかな表面仕上げを実現し、疲労性能を向上させるには、適切な粉末特性を選択し、AM プロセスと設計パラメータを最適化することが重要になります。

6. 部品の構造、サイズ、および層間の時間間隔の違いにより、製造された部品が受ける熱履歴が変化する可能性があり、それによって欠陥の形成、微細構造、およびその後の機械的特性が影響を受けます。したがって、構造や寸法が異なる AM コンポーネントは、同様の材料やプロセスパラメータを使用して製造された場合でも、同等の疲労性能を示さない可能性があります。したがって、小規模な AM サンプルから得られたデータは、スケールされた部品で観察される疲労挙動を完全に反映しない可能性があります。したがって、AM 部品の疲労性能を評価する際には、寸法および構造の変化の影響を考慮する必要があります。

7. AM 部品の疲労性能は、構築された層の方向によって大きく影響され、異方性挙動が生じる可能性があります。この異方性は主に、成形方向に対して垂直な LoF 欠陥の存在に起因します。疲労挙動は、荷重方向と層の方向の間の相対角度に密接に関係しています。垂直に製造された試験片は、通常、荷重方向と平行に欠陥が配向された水平試験片と比較して、疲労寿命が短くなります。注目すべきは、荷重方向と層の方向の間の相対角度が微細構造の方向性に影響を与える一方で、欠陥の存在と方向が異方性疲労応答を決定する上でより重要な役割を果たすことです。したがって、AM 部品の疲労性能を評価し、最適化するには、層の配向と欠陥特性の影響を理解して考慮することが重要です。

8. 適切な温度と期間でアニーリング処理を行うと、AM 部品の延性が大幅に向上します。これらの処理は、欠陥に関連するノッチ感度を低減し、残留応力を緩和または除去するのにも役立ちます。場合によっては、構造異方性を最小限に抑えるのにも役立ちます。疲労耐性を高めるもう 1 つの効果的な熱機械処理は、熱間等方圧プレス (HIP) です。熱間等方圧プレスにより、気孔と内部空隙（LoF 欠陥を含む）の容積が減少するため、それらの鋭さが低減し、疲労性能が向上します。 HIP 処理された L-PBF Ti-6Al-4V 試験片の実験的疲労データは、その性能が従来の鍛造材料の性能に匹敵することを示しました。ただし、HIP 処理の大きな利点は、その後の処理後にさらに明らかになることに留意する必要があります。これは、HIP 処理された試験片の粗い表面が、特に高サイクル疲労 (HCF) 段階で疲労寿命に影響を与え続けるためです。したがって、HIP 処理によって疲労耐性は向上しますが、ブランクの表面状態の影響を考慮する必要があり、AM 部品の疲労性能を最適化するには追加の後処理手順が必要になる場合があります。

9. 設計上の考慮事項において多軸疲労が重要であるにもかかわらず、AM 金属の多軸疲労挙動に関する理解は依然として限られています。 AM 材料の多軸疲労応答に関する研究はほとんどありません。研究により、異なる L-PBF 装置、異なるプロセスパラメーター、または異なる熱処理プロセスを使用して作成された試料は、異なる微細構造と欠陥グループを示すことがわかっています。したがって、これらの変動は、多軸応力を受けたときに異なる破損モードにつながる可能性があります。異なる応力状態で取得された多軸疲労データを効果的に相関させるには、適切な疲労破壊基準が必要です。標準では、さまざまな AM 条件下で観察される特定の障害モードを考慮する必要があります。多軸疲労挙動と亀裂の方向をより深く理解することで、最適なプロセスパラメータとスキャン戦略を決定するのに役立ちます。内部または表面の欠陥や弱い面を疲労抵抗を最大化する方向に整列させることにより、多軸荷重条件下での AM 部品の全体的な疲労性能を向上させることができます。 AM 金属の多軸疲労挙動を完全に理解し、情報に基づいた設計と製造の決定を行うには、この分野でのさらなる研究と分析が必要です。

10. 疲労が重要な用途に適した高品質の部品を製造するには、AM 部品における PSPP を包括的に理解することが不可欠です。しかし、この目標は AM プロセスの複雑さにより課題に直面しています。実験による適格性評価と認証のプロセスには時間と費用がかかり、部品のサイズ、構造、プロセスパラメータ、または後処理条件の変更は熱履歴に影響し、ひいては部品の微細構造、欠陥分布、機械的特性、および全体的なパフォーマンスに影響します。さらに、AM 専用の包括的な標準が存在しないことで、状況はさらに複雑になっています。これらの課題を解決するには、広範な研究と協力、そして AM におけるプロセス、構造、特性、パフォーマンス間の複雑な関係を考慮した強力なガイドラインの開発が必要になります。

11. 表面粗さは金属 AM 部品の疲労耐性に悪影響を及ぼすことが知られていますが、どの粗さパラメータがこの影響を最も効果的にシミュレートできるかについてはまだ合意が得られていません。この理解は、溝や応力集中部などの特徴を含む複雑な構造を持つ AM 部品にまで拡張する必要があります。このような応力集中が局所的な微細構造や欠陥にどのように影響するかを研究することは、そのような部品の性能を正確に評価するために非常に重要です。これらの知識のギャップを埋めることで、実際の状況における AM 部品の疲労挙動をより包括的に理解できるようになります。

12. さまざまな特性評価技術を使用して AM の固有の欠陥特性を包括的に調査するには、さらなる研究が必要です。鍵となるのは、製造プロセス中の欠陥形成を監視および削減する技術を強化し、AM 部品の信頼性の高い品質管理方法を確立することです。 AM 技術が直面している重要な課題は、欠陥情報と特性に基づいて機械的特性、特に疲労性能を予測する信頼性の高い方法を開発することです。このような予測方法の出現により、必要なテストの量が大幅に削減されます。しかし、これらの方法はまだ完全には開発されていません。これらの課題に対処することは、AM テクノロジーの理解と応用を進める上で非常に重要です。

13. AM材料の識別および認証プロセスを簡素化するために、マルチスケールシミュレーション技術を採用する必要があります。これらの技術では、AM 材料の熱履歴を考慮して、微細構造や欠陥形成などの最終的な構造を予測し、プロセスと構造の関係を確立する必要があります。構造と特性の関係が確立されると、試験片の機械的特性、ひいては部品の性能を予測することが可能になります。マルチスケールシミュレーションを活用してプロセス、構造、特性の関係を予測することで、大規模でコストのかかる実験プログラムの必要性を大幅に削減できます。これにより、予測手段の信頼性が高まり、安全性と信頼性が損なわれずに AM 技術の高度な製造プロセスへの統合が加速されます。

元記事: Butt, MM 積層造形された金属合金の疲労性能。Prog Addit Manuf (2024)

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