上海交通大学はアーク積層造形法を用いて希土類マグネシウム合金サンプルを製造し、優れた性能を実現

出典: WAAM アークアディティブ

急速な冷却速度によって結晶粒の微細化が達成され、より細かい結晶粒が得られ、合金の強度が向上します。転位の蓄積とは、合金の堆積中に形成される転位の蓄積を指します。これらの転位の存在は、希土類強化相の析出を促進します。 WAAM プロセスでは、高い冷却速度と周期的な熱応力により、合金内部に多数の転位が形成されます。これらの転位が積み重なり、希土類元素の析出に豊富な核を提供し、それによって微細で均一な希土類強化相の高密度析出を促進します。

β′相などの高密度に析出した希土類強化相はナノスケールの大きさで、転位や双晶の動きを効果的に妨げ、合金の強度とクリープ耐性を大幅に向上させます。この強化メカニズムは、WAAM 技術特有の急速凝固プロセスがこの細かく均一に分散した強化相の形成を促進するため、WAAM によって製造された合金で特に顕著です。

最近、上海交通大学軽合金研究所の呉国華教授と童欣助手の研究チームがマグネシウム合金の分野で目覚ましい研究成果を達成した。彼らは、ワイヤアーク積層造形（WAAM）技術によって作製されたMg-9Gd-3Y-0.5Zr（GW93K）合金の時効析出挙動に焦点を当て、鋳造合金と比較しました。この研究では、WAAM で製造された GW93K 合金は鋳造合金よりも高い引張強度と伸びを示し、これは主に結晶粒の微細化と転位の積み重ねによって誘発される微細で均一な希土類強化相の高密度析出に起因することが明らかになりました。

▲論文リンク：https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S221395672400063X

背景 Mg-9Gd-3Y-0.5Zr（GW93K）合金などの高強度マグネシウム希土類（Mg-RE）合金は、優れた強度と耐クリープ性により、航空宇宙などの主要分野で広く使用されています。このタイプの合金の主な強化方法は時効強化です。マトリックス内に形成されたナノスケールのβ′プリズム析出相は、転位や双晶の動きを効果的に妨げることができます。現在、高希土類元素含有量のMg-Gd-Y-Zr合金の研究は主に鋳造合金に焦点を当てています。しかし、航空宇宙部品が大型化、構造が複雑化するにつれ、鋳造や変形などの従来の方法では要件を満たすことが難しくなり、Mg-RE合金の積層造形（AM）が注目を集め始めています。粉末を原料とする積層造形プロセスと比較すると、アークヒューズ積層造形法（WAAM など）は、酸化物介在物や細孔欠陥が少なく、堆積効率が高いという利点があり、大型で複雑な航空宇宙部品の製造に適しています。これまでの研究では、WAAM で製造された Mg 合金の強度と可塑性は鋳造合金よりも優れていることが示されています。しかし、WAAM で製造された Mg-RE 合金の析出挙動は調査されておらず、特に鋳造合金との違いを明らかにする必要があります。

最近、上海交通大学軽合金研究所の呉国華教授と童欣助手の研究員のチームは、太原科技大学の白培康教授、中国北方大学の趙占勇准教授と共同で、「促進析出挙動によって誘導されたワイヤーアーク付加製造Mg-9Gd-3Y-0.5Zr合金の優れた機械的特性」と題する研究結果を、マグネシウム合金分野のトップジャーナルである「Journal of Magnesium and Alloys」に発表しました。この研究では、WAAM 製の Mg-9Gd-3Y-0.5Zr (GW93K) 合金の時効析出挙動に焦点を当て、鋳造合金と系統的に比較しました。この研究は、積層造形された重希土類マグネシウム合金の強化メカニズムに関する新たな知見を提供します。

▲図 1. 鋳造ままおよび堆積ままの GW93K 合金の微細構造特性: (a、d) 光学顕微鏡写真、(b、e) SEM 顕微鏡写真、(c、f) 上記の SEM 顕微鏡写真に対応する EDS 画像▲図 2. T4 処理前後の堆積ままおよび鋳造ままの GW93K 合金の (a) XRD パターン、(b) 対応する SEM 顕微鏡写真▲図 3. 堆積ままおよび鋳造ままの GW93K 合金の EBSD 結果: (a、d) 結晶粒の形態、(b、e) KAM 画像、(c、f) さまざまな方位角での GB 分布。 (g) と (h) は、異なる合金における異なる方位差を持つ GB の割合 (%) を示しています。

▲図4。GW93K合金の機械的特性：（a）T4処理合金の時効硬化曲線、（b）引張特性、（c）他の合金との引張強度および伸びの比較▲図5。異なる方法で調製されたピーク時効GW93K合金のTEM構造：（a、b）鋳造合金および堆積合金のそれぞれHAADF-STEM画像およびSAEDパターン、（c）堆積合金中の析出物のHRTEM画像、（d）（c）の四角い領域の拡大画像。対応するFFT画像が埋め込まれています。
▲図6。異なる時効段階で堆積したGW93K合金のTEM画像：（a、d）破損不足、（b、e）ピーク時効、（c、f）過時効、（g）および（h）はそれぞれピーク時効および過時効下での析出相のEDSスペクトルです。

主な結論<br /> この研究では、鋳造およびWAAM成形されたGW93K合金の違いを体系的に比較しました。結果は、WAAM で形成された合金の方が引張強度と伸びが高いことを示しました。ピーク時効状態における 2 つの合金グループの微細構造を比較すると、結晶粒の微細化に加えて、堆積プロセス中に形成された転位の蓄積によって、微細で均一な希土類強化相の高密度析出が誘発され、これが WAAM サンプルの高性能の重要な理由であることがわかりました。異なる時効条件下での堆積合金の析出挙動を比較すると、過時効状態では、準安定β′相の接合部に新しい析出相βMが形成されることがわかります。

上海交通大学はアーク積層造形法を用いて希土類マグネシウム合金サンプルを製造し、優れた性能を実現

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