研究者は中性子イメージングを使用して、3Dプリントされた超合金の応力変化を研究します

2024 年 10 月 6 日、アンタークティックベアは、米国エネルギー省が、研究者が中性子イメージング技術を使用して、レーザー 3D プリントで製造された新しい高温合金の応力の影響を研究することに成功したと発表したことを知りました。これらの先進的な材料は、高強度、高耐熱性の金属で構成されており、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。

「レーザーブロー指向性エネルギー堆積法で製造されたIN718-René41グレードの超合金の残留応力と微細構造」と題されたこの研究は、Frontiers in Metals and Alloys誌に掲載されました。

論文リンク: https://doi.org/10.3389/ftmal.2022.1070562
この研究プロジェクトでは、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）の共同チームがレーザー3D印刷技術を使用して、インコネル718およびルネ41合金をひび割れなく印刷しました。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所望の形状に融合しますが、これにより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。
表 1. 印刷に使用される粉末の重量パーセント（wt%）による組成。表 2. IN718/R41 グレードのサンプルの DED 構築パラメータ (アルゴン雰囲気中)。図 1. 完成時および熱処理後のグレード IN718/R41 のシングルパス薄肉試験片。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ラインプロファイルによって確認できます。図 2. (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 つの熱処理済み半分 1B、2B、3B のクローズアップ。
これらの圧力を評価するために、研究者らは、DOE科学局のユーザー施設である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。中性子は高密度の金属を透過し、内部構造の詳細な情報を提供できるため、このタイプの分析に適しています。
図3. 構築方向に沿った10°粒界画像（双晶境界を除く）。図は、準備された断面内の各サンプルの全体の高さを示しています。より見やすくするために、プロットは 2 つの領域 (下部と上部) に分割されます。図 4. 逆極点図と構築方向に沿った極点図。逆極点図マップは、準備された断面内の各サンプルの全体の高さを捉えました。見やすくするために、マップは 2 つの領域 (下部と上部) に分割されています。図 5. 構築方向に沿った平均 EBSD カーネルのミスオリエンテーション (最大 4°) を含む構築サンプルのマップ。見やすくするために、グラフは 2 つの領域 (下部と上部) に分割されています。次に、図6に示すように、データを薄いスライス（1Bの黄色のリボンで示される）に平均化しました。図 6. ビルド方向に沿ったビルドサンプルの平均 KAM 値 (各マップのビルドプレート側からの距離)。図 5 に示す各スライスに対して平均が実行されました。
この研究では、高温合金の残留応力は、金属の化学組成よりも、レーザーの滞留時間やエネルギーレベルなどの製造パラメータの影響を大きく受けることが判明しました。研究により、熱処理によってこれらの応力を効果的に軽減し、材料の性能を向上できることがわかっています。
図7. サンプル1B、2B、3Bの半製品中のCo、Mo、Nb、Al、Ti、Fe元素の組成分布（重量パーセント）をEPMAで構築方向に沿って測定した結果。縦の破線は各構成領域の境界を示しています (IN718、80% IN718–20% R41、60% IN718–40% R41、40% IN718–60% R41、20% IN718–80% R41、R41)。図8. (A) 元の状態の3Aと熱処理後の3Bの中性子透過像。(B) EPMA定量組成を使用して測定した中性子減衰係数（cm −1 ）の比較。図9. 構築方向と長さ方向1A、2A、3Aに沿った残留応力の等高線。サンプル画像内の黄色の破線は、マップされた領域を示しています。図 10. 応力緩和熱処理されたサンプル 1B、2B、および 3B の構築方向と長さに沿った残留応力の等高線。図11. 初期サンプルと応力緩和熱処理後のサンプルの計算された応力フリー格子定数。図12.熱処理されたサンプルの IN718-R41 勾配の応力のない格子定数を、さまざまな組成ベースのモデル (Caron、2000 年、Wang ら、2007 年、Kablov および Petrushin、2008 年、Lazo ら、2009 年) および Thermo-Calc と TCNI データベースから予測された値と比較します。
研究チームは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ひずみの分布を測定し、処理のさまざまな段階で材料の応力と組成がどのように変化するかを調べました。この研究結果は、特に過酷な環境での用途において、業界が 3D プリントを使用してより優れたコンポーネントを開発するのに役立つでしょう。
この研究により、3D プリントされた高温合金の応力効果についての理解が深まり、金属の応力レベルを評価するためのより効果的な方法が確立されます。この研究結果は、製造コストの削減と、高ストレスおよび高温条件にさらされる部品の性能向上に重要な意味を持ちます。
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の支援を受けて実施されました。この研究の一部では、オークリッジ国立研究所が運営する米国エネルギー省科学局のユーザー施設である、スパレーション中性子源と高中性子束同位体原子炉のリソースが使用されました。

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