レーザー粉末溶融法で作製した純タンタルの微細構造と機械的特性に対する走査速度の影響

寄稿者: Lv Naixin、Gao Lin 寄稿部署: 西安交通大学機械製造システム工学国家重点研究室出典: 中国機械工学会付加製造技術 (3D プリント) 支部

タンタルは、高硬度、優れた靭性、耐腐食性、高温安定性、優れた生体適合性など、強い延性と優れた機械的および生化学的特性を備えた高密度の耐火材料です。タンタルは、航空宇宙、電気、化学、医療などの業界で人気があります。しかし、融点が高く、加工中に炭素、水素、酸素と親和性があるため、従来の製造方法ではさらなる改善が必要です。

従来の減算型製造とは異なり、付加製造には通常、原材料を節約し、複雑な構造を処理できるという利点があります。選択的レーザー溶融（SLM）は積層造形における重要な技術であり、近年急速に発展しています。レーザーをエネルギー源として、レーザースポットで材料粉末を所定の経路に沿ってスキャンします。粉末が溶けて溶融痕が形成され、層を積み重ねることで部品が形成されます。このプロセスは、成形精度が高く、柔軟性に優れ、サンプルの相対密度が高いという特徴があります。 SLM 技術の発展により、純粋なタンタルとその合金の融点は非常に高いにもかかわらず、タンタル金属の付加製造プロセスが徐々に実現されてきました。

SLM で製造された純タンタルの性能を向上させ、医療や産業における応用ニーズを満たすために、一部の学者は SLM プロセスパラメータが完成品の表面形態と機械的特性に与える影響を研究し、相対密度 99% 以上、極限引張強度 706Mpa、破断伸び 32% を超えるサンプルを得ることに成功しました。プロセスパラメータは微細構造に大きな影響を与えます。引張破壊形態によれば、サンプルは低エネルギー密度では亀裂が生じやすく、高エネルギー密度ではキーホール誘起細孔などの欠陥が生じやすいことがわかります。

実験によると、直交スキャン戦略を採用し、レーザー出力が300W、粉末層の厚さが0.025mm、スキャン間隔が0.07mmの場合、スキャン速度が400〜800mm / sの範囲で増加すると、柱状粒子が徐々に細かくなり、機械的特性が徐々に向上することが示されています。しかし、スキャン速度が 1000 mm/s に達すると、スキャン速度が速すぎるために溶融が不十分になり、亀裂が発生し、純タンタルサンプルの機械的特性が低下します。異なるスキャン速度で形成されたサンプルの微細構造を図 1 に示します。最終的に、スキャン速度 800 mm/s でサンプルは引張強度 706 MPa、破断伸び 33.26%、密度 99.4%、平均硬度 251.6 HV という優れた機械的特性を持つと結論付けられました。

図 1 研磨後の異なるエネルギー密度のサンプルの相対密度分布と上面光学形態。相対密度が高く、機械的特性が良好な純粋なタンタルは、医療や産業で幅広い応用が期待できるため、それに合わせた積層造形プロセスパラメータは非常に重要です。この記事で紹介した層間直交スキャン戦略による SLM プロセスパラメータは、より優れた機械的特性を持つ純粋なタンタルの積層造形に重要な技術的補足を提供します。

参考文献:
Changhui Song、Zhengtai Deng、Zhuang Zou、Lisha Liu、Kuixue Xu、Yongqiang Yang、「レーザー粉末床溶融結合法で製造された純タンタル：走査速度が微細構造と機械的特性の進化に与える影響」、International Journal of Refractory Metals and Hard Materials、第 107 巻、2022 年、105882、ISSN 0263-4368、https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0263436822001068

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