ノースウェスタン工科大学《JMST》高可塑性金属銅の固体コールドスプレー積層造形

出典: マテリアルサイエンスネットワーク

はじめに: 融合ベースの積層造形 (AM) 方法と比較すると、コールドスプレー (CS) は、従来のコーティング方法から部品の製造や損傷部品の修復のための新しい AM 技術、つまり CSAM へと進化した固体金属粉末堆積プロセスです。本研究では、CSAM 金属堆積物の延性が低いという長年の課題が、独自の微細構造を構築することで解決できることを実証します。適切なスプレーパラメータ設定を使用することで、伸び率 29.7%、引張強度 270 MPa の銅堆積物を生成できます。銅鉱床の高い延性は、引張変形中の結晶粒の回転と融合に由来し、転位滑りの橋渡しとして機能する双晶境界によって促進されます。高延性銅鉱床に関する知識は、他の高強度および高延性 CSAM 金属材料の開発に役立つ可能性があります。

コールドスプレー (CS) は、1980 年代に初めて開発された高度な固体金属堆積プロセスです。この革新的な技術では、ミクロンサイズの粒子 (5～50 μm) を高速 (300～1200 m/s) で衝撃堆積させてコーティングを形成します。 CS は、高温、腐食、浸食、酸化、化学物質に対する保護を提供するために、航空宇宙、自動車、エネルギー、医療、海洋などのさまざまなコーティング用途で広く使用されています。現在、CS の技術的な関心は 2 つあります。(i) 損傷したコンポーネントの修復プロセスとして、および (ii) 固体積層造形プロセスとしてです。他の融合ベースの付加製造 (AM) 技術と比較して、コールドスプレー付加製造 (CSAM) は、溶融せずに堆積物を作成できる AM ファミリーの新しいメンバーです。酸化度が極めて低いため、粉末から沈殿物に至るまで化学組成がほぼ維持されます。他の積層製造プロセスと比較した場合、CSAM の大きな利点としては、生産性の高さ、堆積サイズの制限がない、柔軟性が高い、損傷した部品の修復に適している、などが挙げられます。

さらに、CSAM は、レーザー積層造形技術では製造が難しい銅、アルミニウム、マグネシウム、銀などの反射率の高い金属に特に適していることも注目に値します。ただし、CSAM には固有の欠陥、特に粒子の蓄積によって引き起こされる加工硬化により、重大な欠点があることを認識することが重要です。したがって、CSAM 堆積物は、噴霧された状態では延性が非常に低いなど、機械的特性が劣る可能性があります。 CS の延性の欠如により、現在、コーティング技術から積層造形への拡張が制限されています。ただし、適切な後処理によりこれらの欠陥を軽減し、機械的特性を向上させることができます。

過去 20 年間にわたり、コールドスプレー堆積物の微細構造と機械的特性の向上において大きな進歩がありました。これらの進歩は、(i)前処理（例：粉末前焼鈍）、(ii)工程中（例：粉末加熱、インサイチュマイクロフォージング、レーザー支援CS）、(iii)後処理（例：後熱処理、熱間等方圧プレス、熱間圧延、摩擦撹拌処理）の3つのカテゴリーに分類できます。上記の方法により、CSAM 堆積物の延性がいくらか改善されることが示されました。ただし、これらの方法には追加の煩雑な手順と高い生産コストがかかる点に注意してください。

そのため、西北工業大学と広東科学院は、延性メカニズムを解明することで、プロセスパラメータを調整し、高性能の銅鉱床を直接準備することを目的とした。責任著者は、Li Wenya と Huang Chunjie である。著者らの研究チームは最近発表した論文の中で、CSAM 銅鉱床の傾斜粒子微細構造が、強度を犠牲にすることなく可塑性を実現するための鍵となる可能性があると提唱しました。しかし、後に、可塑性のない CSAM 銅堆積物も同様の微細構造を示すことが観察されました。したがって、以前の結論が依然として有効であることを確認するために、さらなる調査が必要になる場合があります。さらに、最近の他の研究でも CSAM Cu の可塑性が実証されています。しかし、この問題についてはコンセンサスが得られていないため、可塑性のメカニズムについてはさらなる調査が必要です。この研究では、原位置引張試験とEBSDを使用して、引張変形中のCSAM銅堆積物の微細構造の進化を調べました。結果は、銅鉱床が粒子の回転、融合、成長を通じて塑性変形を起こし、双晶境界が重要な橋渡しとして機能していることを示唆している。

関連研究結果は、「固体コールドスプレー添加剤で製造されたCuにおける双晶支援粒子回転および融合によって誘発される高延性」というタイトルでJournal of Materials Science & Technologyに掲載されました。リンク：https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S1005030224007138

図 1 CSAM に使用された元の銅粉末と結果として得られた銅堆積物の微細構造。 (a) 粒子サイズ分布、(b) 単一 Cu 粒子断面の SEM 形態と粒子配向、(c) CSAM 堆積とサンプリング位置、(d) ノッチ付き in situ EBSD 引張試験サンプルとノッチなし ex situ 引張試験サンプルの寸法、(e) 一般的な銅堆積物の 3DOM 微細構造、および (f) 3DEBSDIPF マップ図 2 ノッチなしサンプルの ex situ 引張試験で分析した銅堆積物の機械的特性とフラクトグラム。 (a) ガス圧を 5 MPa に維持しながら異なる温度で噴霧された銅鉱床の応力-ひずみ曲線、および (b) ガス温度を 800°C に一定に維持しながら異なる圧力で噴霧された銅鉱床の応力-ひずみ曲線。 (c) 銅鉱床の強度-延性と再結晶および双晶比の相関関係。 (d) 銅鉱石の典型的な脆性破壊 (N2、650℃-5MPa)。 (d) 銅鉱石の典型的な延性破壊 (N2、800℃-5MPa)
図3 原位置引張試験中の銅堆積物のEBSD分析（N2、800°C-5MPa）。 (a) 応力-ひずみ曲線。(b1-d1) (b2-d2) からそれぞれ 0%、5%、20% の伸びで採取した単一粒子の IPF 図。(b3-d3) それぞれ 0%、5%、20% の伸びでの銅堆積物の再結晶図。(b4-d4) それぞれ 0%、5%、20% の伸びでの双晶境界分布。
図4 Cu堆積物の引張試験中の粒子変形の延性メカニズム。粒子の変形、粒子の融合および成長を示しています。
要約すると、本研究では、プロセスパラメータを新たな観点から制御し、高性能CSAM Cuの延性メカニズムを調査します。 CSAM Cu 堆積物の機械的特性と、さまざまなプロセスパラメータの下での独自の微細構造特性を相関させることにより、再結晶度と双晶含有量には閾値があり、この値は CSAM Cu が優れた延性を持つために十分に高い必要があることがわかりました。一方、原位置EBSD分析により、双晶支援による粒子の回転と成長がCSAM銅鉱物の延性の起源であることがわかりました。この研究は、CSAM 鉱床の可塑性という長年の課題を解決するための良いスタートではあるが、これで終わりではない。また、この問題を他の CSAM 金属にまで広げていくことは非常に有望である。

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