研究者は中性子イメージングを使用して、3Dプリントされた高温合金の内部構造を研究しています。

この投稿は Bingdunxiong によって 2024-10-7 12:54 に最後に編集されました

2024年10月7日、アンタークティックベアは、米国エネルギー省の最新の研究によると、科学者が中性子イメージング技術を応用して、レーザー3Dプリントで製造された新しい超合金の応力の影響を詳細に研究することに成功したことを知りました。これらの高強度、高耐熱性の金属は、発電に使用される先進的なガスタービンなどの過酷な用途に不可欠です。

△研究タイトルは「レーザージェット指向性エネルギー堆積法で製造されたIN718-René41傾斜超合金の残留応力と微細構造」（ポータル）
背景

従来、高温ガス経路などのタービン部品は、場所によって異なる材料性能要件を満たす必要があります。この目的を達成するために、一般的な戦略は、低コストで低析出強化のニッケル基超合金を中/高析出強化の超合金と溶接することです。これにより、高温エリアでの使用ニーズを満たし、他のエリアでのコストを削減することができます。しかし、この溶融溶接プロセスでは通常、材料の界面に残留応力が発生し、機械的特性が低下する可能性があります。さらに、中/高強化析出相含有量を持つ高温合金は、溶接中に溶接性が悪く、ひずみ時効割れの問題が発生しやすくなります。

付加製造、特に指向性エネルギー堆積 (DED) 技術は、複雑な形状や傾斜材料を製造する新しい方法を提供します。この技術は、従来の溶接方法と比較して、異なる材料間の組成遷移をより適切に制御できるため、残留応力の影響が軽減され、機械的特性が向上します。 DED テクノロジーは、複数のホッパーからの粉末混合を制御することで、高温合金間の組成勾配を実現し、遷移層の量、組成、厚さを最適化できます。

△ 完成し、熱処理された IN718/R41 グレードのシングルパス薄肉サンプル。レーザーの移動方向は、ビルドプレートに平行なサンプル表面の輪郭線を通して観察できます。この研究は、ゼネラルエレクトリック、エジソン溶接研究所、オークリッジ国立研究所 (ORNL) の共同チームによって共同で実施されました。チームは、3D プリント技術を使用して、製造プロセス中に亀裂が生じることなく、インコネル 718 およびルネ 41 合金を製造することに成功しました。このプロセスでは、レーザーを使用して金属粉末を層ごとに融合し、目的の形状にしますが、材料の特性に影響を与える内部応力が生じる可能性があります。

これらのストレスを正確に評価するために、研究者らはORNLの核破砕中性子源（SNS）と高中性子束同位体原子炉（HFIR）で中性子イメージング実験を実施しました。両施設は米国エネルギー省科学局のユーザー施設であり、中性子が高密度金属を効率的に貫通し、その内部構造に関する詳細な情報を提供できるという独自の利点があります。

△(A) 中性子回折実験装置。(B) サンプルホルダーに取り付けられた3つの完成サンプル1A、2A、3Aと3つの熱処理された半片1B、2B、3Bのクローズアップ。
高温合金の残留応力に関する研究により、製造パラメータの影響と最適化が明らかになった。

結果は、高温合金の残留応力は、金属の化学組成よりも、主に製造パラメータ（レーザーの滞留時間やエネルギーレベルなど）によって影響を受けることを示しています。同時に、研究によれば、熱処理によってこれらの残留応力を効果的に低減し、材料の全体的な性能を向上させることができることがわかっています。

△完成したサンプルについては、ビルド方向（各マップのビルドプレート側からの距離）に沿って平均KAM値を計算しました。チームはSNSのVULCAN回折計とHFIRのMARSイメージャーを使用して、残留格子歪みの分布を測定し、さまざまな処理段階での材料の応力と組成の変化を観察しました。これらの重要な発見は、業界が 3D 印刷技術を使用して、特に過酷な環境での用途向けに、より優れたコンポーネントを開発するための新たな視点を提供します。

この研究は、3D プリントされた高温合金の応力効果についての理解を深めるだけでなく、金属の応力レベルを評価するためのより効果的な方法を確立します。この研究結果は、製造コストを削減し、高ストレスおよび高温条件に耐える部品の性能を向上させる上で非常に重要です。

この研究は、米国エネルギー省（DOE）のエネルギー効率・再生可能エネルギー局および先進製造局によって支援されました。この研究は、オークリッジ国立研究所が運営する核破砕中性子源と高中性子束同位体原子炉の資源を活用した。

研究者は中性子イメージングを使用して、3Dプリントされた高温合金の内部構造を研究しています。

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