ハルビン工業大学のトップジャーナル：高温合金の複合材料製造における微細構造と残留応力の進化

出典: 材料科学と工学

積層造形（AM）技術の登場により、ワークピースの生産効率が大幅に向上しただけでなく、大規模なパーソナライズ加工に対する産業界の需要も大きく満たされ、世界中で注目を集めています。しかし、従来の AM 技術では加工精度が低いためワークピースの表面粗さが大きく、二次的なサブトラクティブ (SM) 加工が避けられません。近年、積層造形法と切削造形法（ASHM）技術の急速な発展により、複雑な構造部品の統合製造に新たなアイデアが生まれました。 AM技術をベースとしたコンピュータ数値制御工作機械の二次開発技術であるASHM技術は、AMとSMのプロセスを統合し、同一設備上で複雑な部品の連続的な「堆積-ミリング」加工を実現できます。しかし、レーザー AM プロセス中に生成される過度の温度勾配は、必然的にワークピース内部の残留応力の増加につながり、その後の SM 処理によって残留応力の結合がさらに複雑になります。さらに、SM プロセスでは、ワークピースの表面に深刻な塑性変形が生じ、AM ワークピースの元の微細構造が変化します。予測不可能な微細構造と残留応力の進化は、ASHM ワークピースの使用性能に大きな影響を与えます。

上記のような背景を踏まえ、ハルビン工業大学の黄永江教授のチームは、航空宇宙産業で最も広く使用されているニッケル基高温合金であるインコネル718（IN718）をモデル材料として選択しました。ASHMにおける2つの一般的なSM状況、すなわち冷却後のミリング（室温ミリング、MC）とAM直後の温水ミリング（高温ミリング、MAM）を考慮して、レーザー指向性エネルギー堆積（LDED）に基づくAMとASHMで製造されたIN718サンプルがASHM装置によって準備されました。実験、有限要素法、分子動力学シミュレーションにより、ASHM プロセス全体 (AM とそれに続く SM を含む) における IN718 の微細構造、残留応力、およびミリング力の変化を調査しました。この研究は、交互の周期的な熱機械結合条件下での複雑な金属ワークピースの微細構造、応力、形状の制御に関する理論的ガイダンスを提供することを目的としています。関連論文は、積層造形分野のトップジャーナル「Virtual and Physical Prototyping」（2024年、第19巻、第1号、e2400329）に、「インコネル718超合金のLDEDベースの加減算ハイブリッド製造：微細構造と残留応力の進化」というタイトルで掲載されました。論文の第一著者は博士課程学生のLiu Changyu氏、責任著者はHuang Yongjiang教授とNing Zhiliang准教授、共著者はSun Jianfei教授、博士課程学生のGao Xiaoyu氏、Zhao Wenjie氏、Wang Nan氏、Lu Yang氏です。

論文リンク: https://doi.org/10.1080/17452759.2024.2400329

図 1 IN718 合金の付加的および除去的複合材製造: (a) 付加的および除去的統合装置、(b) IN718 原料粉末の SEM 画像および XRD (挿入図)、(c) LDED 処理技術、(d) AM サンプル、(e) MC サンプル、(f) MAM サンプル。
3 つのサンプルグループは、同じ AM プロセスを使用して作成されました。 AM 成形後、MC サンプルと MAM サンプルの上面にミリング処理が実行されましたが、それらの違いはミリング中のサンプル内部の温度の違いにあります。

図2 AM、MC、MAMのIN718合金サンプルのEBSDマップ：（a）サンプル断面のKAMマップ、（b）サンプル断面のBCマップ、（c）（a）でマークされた方向に沿ったGND密度の分布。
EBSD の結果は、ミリングによって生じた高ひずみ、低角粒界 (LAGB)、および高い幾何学的必須転位密度 (ρGND) が、MAM サンプルと比較して MC サンプルのより深いところに分布していることを示しています。

図3 表面からの異なる距離におけるAM、MC、MAMのIN718合金サンプルの透過型電子顕微鏡（TEM）画像：（a1）～（a3）AMサンプル、（b1）～（b3）MCサンプル、（c1）～（c3）MAMサンプル、（a1、b1、c1）表面から25μm、（a2、b2、c2）表面から50μm、（a3、b3、c3）表面から75μm。
透過型電子顕微鏡 (TEM) による観察では、粉砕プロセスによってサンプルの表面近傍領域に勾配ナノ結晶 (GNG) 構造が生成されたことが示されました。 MC サンプルと比較すると、MAM サンプルの GNG 構造はより深く分布しており、同じ位置での転位密度も大きくなっています。
図4 AM、MC、MAMによるIN718合金サンプルの残留応力分布：（a）表面ナノインデンテーションの荷重-変位曲線、（b）深さに沿った残留応力分布。
ミリングプロセスにより、サンプルの表面領域に残留圧縮応力が導入されました。 MCサンプルと比較すると、MAMサンプルの表面層の残留圧縮応力値は大きくなりますが、その圧縮応力の分布領域は浅くなります。

図 5 フライス加工プロセスの有限要素シミュレーション: (a) 有限要素シミュレーションモデルとそのメッシュ分割。(b) 室温でのミーゼス応力とひずみのクラウド図。(c) 高温でのミーゼス応力とひずみのクラウド図。(d) (b) と (c) の中央領域からそれぞれ取得した断面図。フライス加工の深さに沿った中央のミーゼス応力分布を示しています。(f)、(g)、(h) 異なるフライス加工温度での X、Y、Z 軸に沿ったフライス加工力。
有限要素シミュレーションの結果は実際のテスト結果と一致しており、高温ミリングサンプルの応力分布とミリング力は室温ミリングサンプルよりも小さくなっています。

図 6 ミリングプロセスの分子動力学シミュレーション: (a) モデル、(b) 室温および高温ミリングにおける転位と積層欠陥、(c) 室温および高温ミリングにおける転位の総数、全長、最大すべり深さ、(d) 室温および高温ミリングにおける再結晶原子、(e) 室温および高温ミリングにおける再結晶原子の数の統計。
TEM の結果に対応して、分子動力学シミュレーションの結果は、高温ミリングと比較して、室温ミリング中の転位の総数、全長、最大滑り距離が大きく、動的再結晶がより激しくなることを示しており、これは、室温ミリング下ではワークピース表面の塑性変形がより激しいことを示しています。

図7 MCおよびMAMのIN718合金サンプルの塑性変形度と転位分布の模式図：（a）塑性変形度の模式図、（b）密集した転位、（c）転位の消滅と再配置。
一般的に、この研究では、ASHM プロセス全体における IN718 合金の微細構造、残留応力、およびフライス加工力の変化を調査します。 SM プロセスにより、サンプル表面に傾斜塑性変形が生じ、GNG 構造、LAGB、残留圧縮応力が形成されます。 SM 中の内部温度が高いため、熱軟化効果によって高温 SM サンプルのミリング力が低下し、動的回復によって高温 SM サンプルの深さ方向の GNG 構造、LAGB、残留圧縮応力の分布範囲が浅くなります。そのため、一般的に使用されているASHMプロセスでは、AM直後のSMによって生成されるサンプル表面の塑性変形の程度は、室温SMのそれよりも低くなります。ミーリング力が低く、塑性変形が小さいため、ツールの耐用年数が長くなり、ニッケルベースの高温合金などの加工が困難な材料の統合加工と準備において、高精度、高効率などの大きな利点を発揮します。

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