北京理工大学：高強度アルミニウム合金のアーク積層造形に関する研究の進展

出典: Additive Industries

近年、航空宇宙産業や自動車産業における高性能材料の需要が高まる中、高強度アルミニウム合金は、高強度、低密度、優れた延性、耐腐食性を備えているため、これらの分野における重要な材料の一つとなっています。新しい製造方法として、直接電気アーク積層造形 (DED-Arc) 技術は、その高い効率性と柔軟性により、複雑な高強度アルミニウム合金部品の製造に革新的なソリューションを提供します。

2024年7月、北京理工大学教育部自動車構造部品先進製造技術工学研究センターと中国科学院金属研究所は共同で「高強度アルミニウム合金のアーク積層造形研究の進歩」と題する研究を材料工学誌に発表した。プロセス、設備、冶金欠陥、性能最適化方法の分析に焦点を当て、高強度アルミニウム合金のアーク積層造形研究の進歩を振り返り、今後の研究方向の展望を示した。

高強度アルミニウム合金のアーク積層造形の現状 現在、積層造形の分野では、電子ビーム溶融法（EBM）や選択的レーザー溶融法（SLM）など、さまざまなアルミニウム合金成形技術が開発されています。中でも、DED-Arcは、大型アルミニウム合金部品の積層製造における重要な技術として、産業界で広く利用されています。 DED-Arc システムは、主に熱源、ワイヤ送給装置、補助シールドガスで構成されています。熱源の種類に応じて、プロセスはガスメタルアーク溶接 (GMAW)、ガスタングステンアーク溶接 (GTAW)、プラズマアーク溶接 (PAW) の 3 種類に分けられます。

その中でも、GMAW は、電気アークによってワイヤを直接溶融して堆積成形を実現するもので、主に金属不活性ガス溶接 (MIG) と冷間金属転写 (CMT) の 2 つの形式があります。 CMT 付加製造技術の継続的な発展により、多くの学者は、CMT は冷却速度が高く、飛散や多孔性の問題を効果的に軽減できるため、最も適切な付加製造プロセスであると考えています。

高強度アルミニウム合金のアーク積層造形法の特性と欠陥

1 組織とパフォーマンスの本質的な特性 アーク積層法による高強度アルミニウム合金の成形過程において、層ごとに積層される入熱により、他の成形法や他のアルミニウム合金とは異なる、決して完全には除去できない特性を本研究では「固有の特性」と呼んでいます。

高強度アルミニウム合金におけるDED-Arc構造の層間分布形態

機械的性質の本質的特徴

アーク積層造形法で製造されたアルミニウム合金部品の機械的特性と構造的特性は、プロセスパラメータ（アークモード、ワイヤ送り速度、堆積速度など）と後処理方法を調整することで改善できます。しかし、高強度アルミニウム合金部品は、亀裂に対する感受性が高いため、製造が難しく、引張強度は通常 300 MPa 未満です。高強度アルミニウム合金の強度は、主に、Al-Cu 合金の Al2Cu や Al-Zn-Mg-Cu 合金の MgZn2 など、アルミニウムマトリックス内のナノ析出相によって決まります。アーク積層造形プロセス中の複数の熱サイクルは、材料の微細構造と特性に影響を与え、異なる領域での析出相の形態と硬度に違いが生じ、特性の異方性を引き起こします。

7シリーズアルミニウム合金の性能特性

耐腐食性能の固有の特性

アーク積層造形法で製造された高強度アルミニウム合金部品は、組成の過冷却が異なるため、特殊な粒子構造を持つ領域が形成される場合があります。高強度アルミニウム合金の熱処理性により、DED-Arc プロセスにおける複雑な熱サイクルによって相変化が誘発され、偏析、固溶体、過時効などの化学的不均一性が生じ、合金の局所腐食に影響を及ぼします。

2高強度アルミニウム合金DED-Arcの冶金欠陥 DED-Arc 技術には大きな利点がありますが、冶金学的欠陥、微細構造と性能の制御、およびプロセスの最適化に関しては、さらなる研究が必要です。一般的な冶金上の欠陥には、多孔性、亀裂、残留応力などがあります。

各種金属アーク添加剤の一般的な欠陥範囲

穴欠陥

ボイド欠陥は、DED-Arc 製造における主な課題であり、ワイヤ送り速度、移動速度、液滴転送パターン、基板とワイヤの清浄度、ワイヤ表面の品質、シールドガス、溶接パラメータなどの要因によって影響を受けます。高強度アルミニウム合金にはMgやZnなどの元素が含まれており、水素の溶解度が変化し、空孔制御が難しくなります。熱処理を行っても穴を完全に除去することはできず、むしろ穴が大きくなる可能性もあります。

現在、ボイドを制御する方法には、ワイヤ品質の最適化（合金組成の調整、多孔性を低減する元素の追加、表面粗さの低減、グリースと水分の除去）、プロセスパラメータの最適化（シールドガスの調整、熱入力の低減、熱源と液滴遷移形態の最適化、層間温度の制御）、補助エネルギー場または複合添加技術の使用（レーザーアーク複合、超音波補助、層間冷間圧延、ハンマーおよび攪拌摩擦処理など）などがあります。

割れ目

凝固割れは、アルミニウム合金の DED-Arc プロセスにおける典型的な欠陥です。高強度アルミニウム合金は割れが発生しやすく、完全に回避することは困難です。マグネシウム合金は凝固温度範囲が広く、粒界液化や高熱源による急速冷却により容易に亀裂が生じる可能性があります。研究により、銅の含有量を増やすと亀裂の硬度が低下することがわかっています。粗大な粒子と粒界における第 2 相の偏析により、亀裂が発生しやすくなります。層間の溶融が不十分なために生じる剥離や分離は、後処理では除去できない一般的な欠陥ですが、プロセスパラメータを調整することで回避できます。したがって、合金組成、結晶粒の分離、結晶粒の微細化、およびプロセスパラメータの調整を最適化が、高強度アルミニウム合金の亀裂を解決する主な方法です。

残留応力

アーク積層造形プロセスには、不均一な加熱と冷却のサイクルが複数回発生します。高い熱入力により残留応力を軽減できますが、粗大粒子や変形などの問題が発生する可能性があります。残留応力には、微視的レベルと巨視的レベルの両方の応力が含まれます。現在、アーク積層造形における残留応力の主な原因としては、空間温度勾配、熱膨張と収縮、ひずみ適合性、力のバランス、応力ひずみ構成モデルなどが挙げられます。

高強度アルミニウム合金のアーク積層造形における性能最適化手法 現在、高強度アルミニウム合金の成形品質と性能の最適化を向上させるために、アーク積層造形では、材料設計（組成設計、ダブルワイヤ/マルチワイヤ/ホットワイヤDED-Arc、微細構造設計など）、凝固後処理（熱処理、機械処理、超音波処理、レーザーショットピーニングなど）、凝固中の組織制御（複合熱源、異種粒子、超音波補助、層間冷却、プロセスパラメータ最適化など）、複合積層造形法（層間冷間圧延、機械ハンマリング、攪拌摩擦処理、ミリングなど）などの最適化補助方法が広く使用されています。

1マテリアルデザイン 市販の高強度アルミニウム合金溶接ワイヤは、溶融溶接プロセス中に熱亀裂や気孔が発生しやすく、強度と延性に影響を与えます。もう一つの問題は、伸線加工時の加工硬化と析出強化が非常に強く、従来の伸線加工では断線しやすく加工できないため、高強度アルミニウム合金線の製造が極めて難しいことです。現在、DED-Arc では、高強度アルミニウム合金を製造するために、マルチワイヤ共晶法と自家製原材料法という 2 つの主な方法を採用しています。

この研究では、Yuらは三線共晶法により高強度アルミニウム合金を最適化したが、組成が不均一なため、引張強度が241 MPa（水平）、160 MPa（垂直）と異方性を示した。クラインらは、2段階の時効処理後に477 MPaの引張強度を持つ新しいタイプの高強度アルミニウム合金溶接ワイヤを開発しました。 Guo らは、T6 熱処理後に最大 618 MPa の引張強度を持つ 7B55-Sc 溶接ワイヤを開発しました。これは、600 MPa グレードのアルミニウム合金のアーク積層造形における画期的な進歩と考えられています。これにより、マルチワイヤ共晶溶解による高強度アルミニウム合金のその場製造が新たな開発方向となります。

さらに、研究者らは、ワイヤ供給装置、液滴遷移状態、熱入力を改善することで堆積プロセスを最適化しました。高い熱入力と温度勾配により特性が低下し、粗大な粒子と二次相が生じる傾向があります。アーク熱入力を減らして粒子を微細化することが、重要な最適化方法になります。ホットワイヤアーク積層造形は、抵抗熱を利用してワイヤの溶融を補助し、堆積効率を向上させ、アークエネルギー入力を削減する新しい技術です。 Fuらはこの技術を用いて、密度99.64%、引張強度399MPaの2024アルミニウム合金の製造に成功した。

2 固化後処理 アーク積層造形後の急速熱処理、特にT6熱処理は一般的な方法となり、析出強化により引張強度と構造健全性を向上させ、疲労を軽減することができます。いくつかの研究では、T6 処理により第 2 相の量とサイズが削減され、硬度、引張強度、延性が向上することが示されています。しかし、精密アルミ合金アーク添加部品の場合、熱処理中の冷却により変形や割れが生じ、精度や性能に影響する可能性があります。したがって、適切な冷却材を選択し、材料特性に適した特殊な熱処理プロセスを開発することが重要です。

また、熱間鍛造やショットピーニングなどの機械的熱処理方法についても国内外の学者によって研究されてきましたが、これらの方法は現在のところ主に鉄鋼材料の評価に使用されています。鍛造により粒子を微細化し、空隙を除去し、表面仕上げを向上させることができ、ショットピーニングにより表面の塑性変形を通じて疲労と強度が向上します。高強度アルミニウム合金の場合、特殊な表面処理により耐食性、耐疲労性、疲労性能を向上させることができるため、アルミニウム合金に適した機械的熱処理方法を開発する価値があります。

3 凝固中の組織調節 DED-Arc プロセス中の組織構造とパフォーマンスを最適化するために、研究者らはさまざまな複合熱源と超音波支援技術を使用しました。例えば、Bai らは、単一の TiG 堆積による 2219 アルミニウム合金の粒径が約 50 μm であることを発見しましたが、Cong らは、冷間金属転写パルスプロセス (CMT-PADV) を使用して、気孔を効果的に除去し、粒子を微細化し、材料の引張強度と伸びを改善しました。レーザーアークハイブリッド技術は、高エネルギーレーザーとTIGを組み合わせ、レーザー熱入力によって粒子を微細化し、冷却速度を高めて機械的特性を向上させます。 Wu らは、レーザー TIG 複合技術を使用して、亀裂のない低気孔 2219 アルミニウム合金の製造に成功しました。溶融池はアークゾーンとレーザーゾーンに分割されました。レーザー撹拌により、粒子が細かくなり、元素分布がより均一になりました。

超音波支援 (UA) 付加製造技術も、粒子の微細化と多孔性の低減に応用されています。王らは、超音波プローブを溶融池に直接浸漬することで、7075とTiB2のナノ複合材料を作製することに成功しました。その結果、多孔性が低く、凝固構造が細かく、超音波支援下でナノ粒子の凝集が減少することが示されました。さらに、TiC、TiN、TiB2などのセラミック粒子を不均一核生成サイトとして添加すると、粒界偏析を抑制し、粒子を微細化することができます。 Fuらは、TiCナノ粒子を含む7075アルミニウム合金線を作製しました。TiC粒子は第2相と結合して核形成速度を促進し、最終的に微細な等軸結晶構造を獲得し、堆積強度は435 MPaに増加しました。

アーク積層造形プロセスでは、エネルギー入力が集中せず、冷却速度が低いため、熱が蓄積されて溶融池の凝固が遅くなり、形状精度と材料利用率に影響を及ぼします。適切な層間温度制御と熱入力調整は、均一な熱境界条件を実現するための効果的な方法です。 Li らは、ワイヤ供給速度と全体的な効率を向上させるために、熱電冷却技術に基づくプロセスアクティブ冷却システムを開発しました。 Dong らは、層間温度を制御しながら DED-Arc プロセス中の Al-Zn-Mg-Cu 合金の微細構造と層間温度の関係を研究しました。彼らは、層間温度が高くなると双晶デンドライト配向の分布が不均一になり、微細粒子が粗大化するが、動的析出プロセスの加速に役立つことを発見しました。

4 複合材料の付加製造方法 付加製造と従来の製造プロセスの限界を克服するために、研究者は複数の処理メカニズムの相互作用を通じてパフォーマンスを大幅に向上させるハイブリッド製造プロセスを開発しました。近年、付加製造プロセスは他の製造方法と組み合わせられ、部品の材料特性と寸法精度が向上しています。複合材積層造形技術、特に層間冷間圧延、機械ハンマリング、摩擦撹拌処理 (FSP) は、高強度アルミニウム合金の製造において進歩をもたらしました。

複合材積層造形プロセス（a）層間圧延、（b）層間ハンマー加工、（c）層間FSP
層間冷間圧延：各堆積層を圧延することで、残留応力の低減、微細構造の改善、多孔性の低減、材料特性の向上を図ることができます。

層間ハンマー加工：冷間圧延に比べて、ハンマー加工技術は重機を必要とせず、複雑な構造に適しており、瞬間的な衝撃により塑性変形を増加させ、材料の強度を向上させることができます。

摩擦撹拌処理 (FSP): 付加製造と組み合わせた FSP は、従来の付加製造の欠点を回避し、微細構造を改善し、多孔性を排除し、機械的特性を向上させることができます。

これらの複合方法は、層間塑性変形を導入し、結晶を微細化し、転位密度を高めることで、アルミニウム合金の特性を大幅に改善します。

今後の開発方向高強度アルミニウム合金は比強度と比剛性に優れているため、過去 20 年間、DED-Arc 技術は複雑な部品の製造、特に航空宇宙分野で広く使用されてきました。しかし、高強度アルミニウム合金への積層造形技術の応用には依然として多くの課題があり、特にDED-Arc部品の形状改善や高強度アルミニウム合金の応用範囲の拡大に関しては、関連研究はまだ初期段階にあります。

DED-Arc高強度アルミニウム合金評価システム：現在の研究は主に欠陥の低減と結晶粒の微細化による強度向上に焦点を当てていますが、航空宇宙分野では疲労亀裂成長速度、破壊靭性、耐応力腐食性など、高強度アルミニウム合金部品の総合的な特性に対する要求が高く、関連する研究はまだ比較的少ないです。

組成設計とワイヤ開発: DED-Arc 部品の最終的な性能は、微細構造と合金組成に密接に関係しています。アルミニウム合金は添加プロセス中に揮発性元素を失う傾向があり、マイクロ合金化元素は強度と耐腐食性の向上に不可欠であるため、研究では「過剰合金化」戦略を採用してナノセラミック粒子複合材とカスタマイズされたワイヤを開発する必要があります。

DED-Arc 高強度アルミニウム合金熱処理: 積層造形における層ごとの加熱により、老化が不均一になることが多く、最下層が過度に老化します。カスタマイズされた熱処理は、性能向上の鍵となります。同時に、合金元素、ナノ粒子、層間変形などの要素を考慮し、効率的で低コストの熱処理ソリューションを開発する必要があります。

複合積層造形技術の相乗効果：複合積層造形はまだ研究段階にあり、複数の動作装置を統合することは非常に困難です。塑性変形、機械的変形、熱処理の相乗効果など、組織と性能の進化メカニズムについては依然として深い理解が不足しており、熱-機械的-形態-特性の構成関係を最適化するためのさらなる研究が必要です。

論文リンク:
[1] 10.11868/j.issn.1001-4381.2023-000708