均質および異種金属ハイブリッド積層造形のためのレーザー粉末床溶融結合の最近の進歩

出典: 揚子江デルタG60レーザーアライアンス

アラブ首長国連邦のカリファ科学技術大学の研究者らは、同種および異種金属ハイブリッド積層造形の製造のためのレーザー粉末床溶融結合法の最近の進歩について報告している。「レーザー粉末床溶融結合による同種および異種金属のハイブリッド積層造形における最近の進歩」と題する関連論文が、Materials Science and Engineering: A に掲載されました。

要点:
- LPBF によるマルチマテリアルおよびハイブリッド金属積層造形に関する既存の文献をレビューします。
-均質金属と異質金属の混合 AM の複雑さの比較を強調しました。
-ハイブリッド AM 部品の微細構造、電気化学、および機械的特性について説明します。
-ハイブリッド金属 AM の用途、限界、将来の方向性について説明します。

付加製造 (AM) は、複雑な構造を高精度、カスタマイズ、高速に製造することを可能にする革新的なテクノロジーです。従来の金属部品の AM プロセスでは単一の材料のみが使用されていましたが、2 種類以上の金属を混合して作られた部品の需要が高まっています。この論文では、レーザー粉末床溶融結合 (LPBF) 技術を使用した金属部品のマルチマテリアル AM 処理における最近の進歩を包括的にレビューします。二金属 LPBF 部品のインターフェース特性と特性の詳細な分析により、同種金属と異種金属の溶接中の複雑なプロセス、構造、特性の関係に関する貴重な洞察が得られます。さらに、この記事では、物理的および化学的特性の大きな違い、有害な金属間化合物の形成、元素の分離など、異種金属ハイブリッド 3D プリントに固有の課題についても検討しています。これらの障害に対処するために、この研究では、プロセスパラメータの調整、第3の材料の中間層の統合、機械学習アルゴリズムの活用など、文献で提案されているさまざまな戦略を詳細に調査しました。さらに、この研究では、ハイブリッド LPBF 構造 AM のアプリケーションと将来の方向性を概説し、急速に発展しているこの分野における潜在的な研究のための完全なロードマップを提供します。

図1. 一般的な金属AMプロセスの分類。

図2. マルチマテリアル構造の分類。

図3. シングルステップマルチマテリアルLPBFにおける粉末拡散方法。

図4. (a) 2014年から2024年6月までのLPBFマルチマテリアル金属3Dプリントに関する出版物の数。(b) ハイブリッド金属部品の性能研究。 (c) 均質および異質金属ハイブリッド 3D プリントのための材料の組み合わせ。

図5. (a) ハイブリッドAl-Cu-Ni-Fe-Mg/AlSi10Mg部品の界面領域を示すSEM画像。赤い破線はAlSi10Mgの最初の凝固層で発生する循環（マランゴニ対流）です。 (b) AA2618/AlSi10Mg混合部の界面のEBSD像。

図6. (a) MS1/H13鋼の光学像、(b) H13/MS1鋼のBSE像、(c、d) CrMn/MS1鋼の光学像。

図7. (ab) 800℃で4時間熱処理した後の鍛造基板/LPBF Ti-6Al-4Vハイブリッド部品の異なる倍率でのSEM画像。 (c) 鍛造基板/LPBF Ti-6Al-4V表面の光学画像。小さな長方形b、d、eはそれぞれLPBF、熱影響部、鍛造部を表します。

図8. AlSi10Mg/Ti-6Al-4Vハイブリッド材料の界面品質に対するレーザー出力とスキャン速度の影響。

図 9. 銅中間層の有無による Ti/Al マルチマテリアル格子の圧縮応力-ひずみ曲線と対応する変形図。

図10. LPBF 316ステンレス鋼/CuSn10銅二金属界面のEBSD画像：（a）銅側、（b）316ステンレス鋼と界面領域、（c）（b）の領域I、および（d）（c）の領域II。

図11. (a)鋼と銅の界面と(b)鋼側に向かって伸びる界面欠陥の光学画像。

図12. 316ステンレス鋼にCuSn10をハイブリッド印刷する際の亀裂形成メカニズム：（a）溶融プールの溶融および凝固プロセス、（b）凝固した溶融プールにおける亀裂形成。

図 13. さまざまな場所における銅と鋼の界面の光学顕微鏡写真: (ac) 銅に印刷された鋼、(ce) 鋼に印刷された銅。

図 14. 異なるスキャン速度で印刷された T2 銅/マルエージング鋼バイメタルインターフェース。

図15. 3つのスキャン速度で作製したMS-Cu FGMサンプルの界面領域のCT分析

図16. 銅と鋼の二金属界面を示すSEM（a）と光学顕微鏡写真（b）。

図 17。異なる処理パラメータを使用して印刷された 5 つのトラックの鉄の EDS 画像: エネルギー密度は (a) から (e) にかけて増加します: (a) 216 W、800 mm/s (b) 162 W、400 mm/s (c) 324 W、800 mm/s (d) 216 W、400 mm/s (e) 540 W、800 mm/s。

図 18. 高温処理後の界面の BSE 画像。延性浸漬割れ (DDC) と Laves 相の存在が観察されます。

図19. 溶体化熱処理前後の316L/Wサンプルの顕微鏡写真。 (a、d)は316L領域、(b、e)は界面領域、(c、f)はW領域を表す。(a)、(b)、(c)の画像は熱処理前のサンプルを示し、(d)、(e)、(f)の画像は熱処理後のサンプルを示す。

図20 LPBFで製造されたTi-6Al-4V/CoCrMoハイブリッド部品の断面SEM画像。

図21. ハイブリッド積層造形の応用。

図 22. 異種合金の組み合わせに関連する主な課題。

図 23. ハイブリッド金属積層造形部品の将来の方向性。

LPBF などの技術を使用することで、積層造形は 3D 部品の生産を変革し、設計の柔軟性を提供し、コストを削減し、複数の材料から複雑な 3D ハイブリッド部品を作成することを可能にしました。この論文では、最先端の LPBF マルチマテリアル金属積層造形技術について包括的にレビューします。主な調査結果は次のとおりです。
1. LPBF を介して同じ合金を接合する場合、特別な課題はありません。 Al-Al、Fe-Fe、Ti-Ti 接合部は主に良好な冶金結合を示します。ただし、溶接された鉄と鉄の接合部は凝固割れの影響を受けやすくなります。

2. LPBF による異種合金の接合には、検討中の材料の組み合わせに特有の大きな課題が伴います。アルミニウム合金とチタン合金を接合する際の主な課題は、脆いアルミニウム-チタン金属間化合物の形成であり、銅合金と鋼合金を接合する際の主な課題は、熱物理的特性の差と鋼への銅の移動であり、どちらも深刻な亀裂につながる可能性があります。対照的に、鋼とニッケルの超合金を接合する際の主な課題は、粒界における元素の偏析と、それに続く脆いラーベス相と炭化物の形成です。それでも、LPBF の集中したレーザーエネルギーと即時の冷却により、溶接と比較して鋼とニッケルの超合金のペアの分離の程度を減らすことができます。

3. 2 つの金属合金の界面における組成勾配により、組成が徐々に変化して接合強度が向上し、界面の残留熱応力が減少し、ハイブリッド部品の機械的特性が向上します。しかし、異なる金属合金のペアを組成勾配を越えて接合することは困難です。2 つの合金間の露出が増加すると、元素の偏析、脆い金属間相の形成、液体金属の脆化などの有害な影響が生じる可能性が高くなるためです。さまざまな組成でプロセスパラメータを慎重に最適化することで、界面欠陥を減らすことができます。
4. 中間層を追加したり、均一なレーザー分布を使用したりすることで、混合や欠陥の形成を効果的に制限できることが実証されています。

5. 中間層材料を合理的に選択すると、異種合金の混合が妨げられ、代わりに強化相の形成が促進される可能性があります。たとえば、アルミニウムとチタンの接合部に銅の中間層を追加すると、脆いアルミニウムとチタンの金属間化合物相の形成を妨げ、代わりに強化された銅とアルミニウムの相と銅とチタンの相を形成できます。
6. この分野では多数の論文が発表されているにもかかわらず、LPBF で製造された多材料部品のせん断、腐食、疲労挙動については依然として理解が不足しています。

LPBF によるハイブリッド印刷には幅広い用途があり、(i) 複雑な部品のコスト効率の高い製造、(ii) 2 つ以上の材料を結合することによる性能と機能の最適化、(iii) 損傷した部品の修復という 3 つの主要領域に分類できます。このレビュー論文では、組成勾配の統合、高度なリアルタイム監視および機械学習ツールを優先してマルチマテリアル AM プロセスを強化することが予想される将来の方向性を強調しており、これにより幅広い業界で大きな革新が可能になると期待されています。

論文リンク:
https://doi.org/10.1016/j.msea.2024.146833

関連リンク:
ハイブリッド金属積層造形：最先端のレビュー、産業および製造工学の進歩、doi.org/10.1016/j.aime.2021.100032

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