[分析] 積層造形用金属粉末材料の主要影響因子の分析

現在、積層造形技術は注目を集める技術となり、航空宇宙、自動車、バイオメディカルなどの業界で活発に開発され、伝統的な製造業の変革とアップグレードを推進する重要な力となっています。我が国の積層造形技術は近年急速に発展し、各種の応用サービス市場が徐々に形成されつつあります。一部の分野では一定の成果が上がっていますが、業界全体の技術的蓄積は諸外国に比べて不十分であり、積層造形に関する中核技術や特許は外国企業によってコントロールされています。

現在、金属材料は依然として工業生産において最も広く使用されています。積層造形技術を使用して従来の加工方法に代わるものであり、さまざまな従来の加工方法では加工が難しい金属部品を製造することは、積層造形技術の重要な発展方向です。従来のプロセス方法とは異なり、積層造形技術は材料の性能と適用性に対してより高い要求を持っています。しかし、産業の基盤となる金属粉末材料は、我が国の積層造形産業の急速な発展を制限する重要な要因となっています。著者は、我が国の関連材料の研究に参考を提供するために、積層造形プロセスに影響を与える要因を分析し、積層造形で使用される金属消耗品の特性を調査しようとしています。

1. 金属積層造形技術の分類 現在、より成熟した金属付加製造技術には、主に選択的レーザー溶融、レーザー溶融堆積、電子ビーム溶融などがあります。各プロセス方法には、比較的成熟した製品が市場に供給されています。

1.1 選択的レーザー溶融 選択的レーザー溶融（SLM）プロセスは、まずワークピースの 3D モデルを層状に重ね、次にスキャンシステムを使用してレーザービームを制御し、形成する領域の材料に照射して、金属粉末を選択的に溶融します。各スライスをスキャンした後、粉末供給システムは、形成された領域を新しい粉末で完全に覆います。これらの 2 つの動作は、すべてのスライスのスキャンが完了するまで繰り返され、最終的にワークピースの層ごとの累積成形が達成されます。

1.2 レーザー溶融堆積法 レーザー溶融堆積法 (LMD) はレーザー直接製造法とも呼ばれます。一般的には高出力レーザーが使用され、供給方法は同期粉末供給が主流です。直接積層堆積が最大の技術的特徴です。この方法は、従来の製造プロセスと比較して柔軟性が高く、プロセスが短いため、完成品のコストと時間を大幅に削減できます。高価値金属部品の小ロット製造に大きな可能性

1.3 電子ビーム溶解法 電子ビーム溶解（EBM）は、電子ビームを使用して高真空条件下で金属粉末を溶かして成形するプロセスです。 EBM、LMD、SLM の主な違いは、真空条件と電子ビームです。 EBM 技術を使用して製造された部品は、密度が高く、強度が非常に高くなります。

2 積層造形プロセスに影響を与える主な要因

積層造形を実現するには多くの技術的方法がありますが、加工メカニズムは基本的に同じです。つまり、材料は高エネルギー熱源の作用で急速に溶解します。作用時間が非常に短いため、溶融金属はマトリックスの冷却作用で急速に凝固し、特定のスキャン領域での成形を実現します。積層造形製品の性能は、熱源の特性、材料特性、プロセスパラメータによって決まりますが、熱源の種類と粉末供給方法は、さまざまな積層造形技術を区別する最も基本的な要素です。

2.1 熱源金属積層造形の分野では、最も成熟した熱源はレーザーと高エネルギー電子ビームです。電子ビームとレーザーの動作原理は異なります。電子ビームの加熱方法は、高エネルギー電子がターゲット材料の表面から一定の深さまで通過し、ターゲット材料の原子にエネルギーを伝達し、それによってターゲット材料の原子の振動を強め、電子の運動エネルギーを熱エネルギーに変換することです。レーザーの加熱方法は、ターゲット材料の表面が光子エネルギーを吸収し、レーザーがターゲット材料の表面を通過しないことです。材料の製造プロセス中、熱源の電力と走査速度は通常一定であり、つまり、材料に作用するエネルギー密度は一定であり、熱源の効果は材料の熱源の吸収性能によって直接決定されます。材料による熱源エネルギーの吸収は、両者の作用メカニズムや材料の表面状態などの要因によって決まります。最も一般的に使用されるレーザー熱源の場合、レーザー光エネルギーの吸収は、波長、照射される材料の反射率、エネルギー密度に関係しています。成形プロセス中、材料の表面状態やサイズなどの要因は、レーザーに大きな制限効果をもたらします。電子ビームは、その作用メカニズムが異なるため、付加製造プロセスにおいてレーザーよりも優れた適応性を示します。

2.2 材料粉末材料は現在、金属積層造形に最も一般的に使用されている材料です。金属粉末は、金属部品の積層造形産業チェーンにおいて最も重要な要素であり、最大の価値が生まれる部分でもあります。金属粉末材料は、粉末冶金業界で一般的に使用されています。粉末冶金成形は、粉末を予備成形し、高圧高温条件下で仕上げるプロセスです。プロセス全体を通じて、材料の物理的冶金変化は比較的遅く、材料が溶融、拡散、反応するのに十分な時間があります。粉末冶金処理中の温度と圧力の制限により、ワークピースの密度を確保するために、使用する粉末材料が成形キャビティを可能な限り完全に満たす必要があります。粉末冶金プロセスの技術的特徴を考慮して、比較的完全な一連の粉末評価方法と標準が開発されており、粒子サイズ、比表面積、粒度分布、粉末密度、流量、ゆるい密度、多孔度など、粉末材料の性能を測定するために使用できる比較的完全な指標があります。粉末冶金においては、粉末流動性やタップ密度などの指標が、粉末冶金で使用される粉末材料を測定するための重要な指標となります。

積層造形プロセスと粉末冶金プロセスには明らかな違いがあります。熱源の作用下での粉末材料の冶金変化は非常に急速です。成形プロセス中、粉末材料は熱源に直接作用します。粉末材料は金型によって拘束されず、外部からの持続的な圧力を受けません。一般的に、直径 1 mm 未満の粉末材料が積層造形に適しており、粒径が約 50 μm の粉末材料の方が成形性が優れていると考えられています。粉末冶金業界と比較すると、中国では現在、粉末材料と積層造形プロセスの適用性を判断するための成熟した評価方法や標準が存在しない。積層造形に使用される粉末の関連する評価方法と指標については、さらに深い研究と検討が必要である。

2.3 プロセス図1は、一般的な粉末充填方法の概略図である。粉末散布法を採用すると、熱源がまず粉末に作用することがわかります。粉末と成形領域との間の十分な冶金結合を確保するために、処理中の溶融池の深さとサイズが適切な範囲内にあることを保証する必要があります。同期粉末供給を採用する場合、同軸粉末供給であれ横方向粉末供給であれ、熱源が材料に与える影響は、成形領域に作用する部分と粉末材料に作用する部分の 2 つに分けられます。粉末は移動中に熱源によって一定の温度まで加熱された後、自身の運動エネルギーの作用により成形領域に押し込まれます。成形プロセス全体は、比較的高エネルギーの粉末材料が溶融領域に衝突するプロセスに相当します。この方法は、粉末散布法よりも製品の密度を向上させるのに役立ちます。

3 積層造形プロセスに影響を与える要因の総合分析 積層造形技術を使用してワークピースを加工する場合、まず材料の特性に応じて熱源の種類、電力サイズ、スキャン速度などのパラメータを選択し、次に搬送装置を介して材料を加工領域に配置し、熱源の作用によって徐々に成形します。付加製造プロセスは非連続的な処理プロセスであり、プロセスの安定性と一貫性が成功または失敗の鍵となります。製品処理の安定性と一貫性を確保するには、材料、熱源、プロセスフローなどの要素の共同作用が必要です。積層造形プロセスでは、熱源の種類、電力レベル、スキャン速度は通常一定であり、つまり、処理中の材料成形の熱源は安定しており、一貫しています。加工中、熱源は粉末と成形領域のマトリックスに同時に作用します。粉末を散布して供給する場合、熱源の粉末への影響はより直接的であり、直接粉末供給方法を使用すると、熱源とマトリックス間の影響がより顕著になります。

どのような方法で粉末を成形領域に配置しても、同じ作用領域と空間内で、粉末に作用する熱源の総量は安定します。熱源が物質に作用する際、その作用メカニズムや物質自身の状態（粒子の大きさ、球形度、表面状態など）などの要因の影響を受けます。したがって、積層造形プロセスの安定性は、最終的には材料の安定性と一貫性によって決まります。材料の一貫性が高ければ高いほど、加工中に材料に生じる冶金学的変化がより安定し、走査経路における材料の変化と最終的な性能がより安定して一貫していることが保証されます。粉末材料の場合、性能の一貫性には、材料の化学組成、組織、機械的特性などの従来の特性の一貫性だけでなく、粒子サイズや球形度などの形態特性も重要な指標となります。積層造形に最適な粉末は、粒子サイズと形状が一貫している必要があります。製造工程や方法の制限により、実際の製造では完全に一貫した材料を使用することは困難です。加工に使用される粉末は、通常、さまざまな粒子サイズの粉末の混合物です。処理中の安定性を確保するには、処理中のこの混合粉末の冶金学的変化を合理的な範囲内に制御する必要があります。積層造形プロセスにおける粉末はすべて理想的な球体であり、熱源のエネルギー密度は均等に分散され、材料の形状が熱源吸収率に与える影響や加工中の材料の相変化は無視されると仮定します。成形プロセス中に粉末を成形温度まで加熱するために必要なエネルギーは次のとおりです。
ここで、c は材料の比熱容量、m は粉末粒子の質量、Tp は理想的な成形温度、Ti は材料の初期温度、ρ は材料の密度、d は粉末の直径です。成形プロセス中、粉末粒子に作用する熱源の有効エネルギーは次のとおりです。

式中、a は熱源に対する材料の吸収率、P は熱源電力、D は熱源直径、v は走査速度です。それから、Q供給

積層造形技術の特性上、k は定数となります。 Qsupply/Qdemand=1 の場合、最も理想的な加工状態です。材料は熱源の作用により過熱も加熱不足も発生しません。Qsupply/Qdemand>1 の場合、加工中に熱源の供給が需要を超え、余分なエネルギーによって粉末が成形に必要な温度よりも高い温度に加熱されます。Qsupply/Qdemand<1 の場合、エネルギー供給が不十分であることを意味します。なぜなら：

粉末の直径が小さいほど、他のパラメータが同じ条件下でのQ供給/Q需要の比率が大きくなり、つまり過剰なエネルギー供給が大きくなり、成形プロセス中に過熱する可能性が高くなります。過度の加熱は材料の過度の溶融を引き起こし、溶融池の温度が高すぎるため、溶融池内の溶融金属の流れが複雑になり、溶融金属が飛び散る可能性があります。過度の温度は合金元素の焼損を引き起こす可能性が高く、元素が保護ガスと反応して介在物を導入する可能性もあります。粉体の直径が小さいほど、比表面積が大きくなり、凝集しやすくなります。凝集した粉体は粉体の輸送性を大幅に低下させます。
金属は溶融後、表面張力の影響により球状化しやすいですが、成形時の冷却速度が速いため、球状化が完全に保持され、ワークピースの表面品質が低下し、ひどい場合には加工が不可能になることもあります。実際の製造においては、粉末中の微粉の割合が増加するにつれて、加工中の球状化の程度が増加することが判明しています。粉末の直径が大きすぎると、加熱プロセス中に得られるエネルギーでは粉末を理想的な成形温度まで十分に加熱できず、材料の冶金変化が不完全になり、材料間の結合強度に影響を与え、ワークピースの密度が低下する可能性があります。粉末の直径が臨界値に達すると、成形プロセスは完全に不可能になります。関数の変化法則から、d0を中心とした隣接領域では関数の変化が比較的緩やかであることがわかります。このとき、エネルギー供給と需要の比率は理想的な状態から比較的わずかに逸脱しており、積層造形プロセスの安定性を維持するのに役立ちます。このことから、積層造形で使用される粉末材料の粒度分布は比較的狭い範囲内にあるはずであることが推測できます。これは、積層造形で使用される粉末の粒子サイズが一般に 200 ～ 500 メッシュであるという実際の状況と一致しています。
4 結論
（１）積層造形は新たな成形技術であり、材料が積層造形プロセスの広範な応用を制限する主な要因である。
（２）積層造形法で使用される粉末材料と粉末冶金法で使用される粉末材料の間には本質的な違いはないが、粒度分布の要件はより厳しく、より狭い範囲内で制御する必要がある。
（３）積層造形法で使用される粉末の粒径と粒度分布は、熱源の種類と成形パラメータによって決まる。

編集者: Antarctic Bear 著者: Fan Likun (上海材料研究所、上海工程材料応用評価重点研究室)

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