[分析] 高性能大型金属部品のレーザー積層造形における基本的な材料問題

[分析] 高性能大型金属部品のレーザー積層造形における基本的な材料問題
この投稿は Little Soft Bear によって 2017-9-13 15:36 に最後に編集されました。

航空、宇宙、電力、石油化学、造船などの現代の産業用ハイエンド機器は、極めて過酷な条件下での大規模、高パラメータ、高信頼性、長寿命の方向へ急速に発展しています。その結果、チタン合金、高強度鋼、耐熱合金などの重要な金属部品は、サイズが大きくなり、構造が複雑になり、性能要件が高くなるにつれて、製造技術に対する要件はますます高くなり、課題はますます厳しくなっています。上述の大型で一体型の高性能金属部品を、インゴット冶金＋塑性加工などの従来の製造技術で生産するには、大型の鍛造設備と1万トンを超える大型の鍛造金型が必要となり、技術的に難しいだけでなく、材料の切削量が多く、材料の利用率が低く、サイクルが長く、コストも高くなります。実際、チタン合金などの高性能難加工金属で作られた大型基幹部品の製造技術は、航空、宇宙、原子力、石油化学、造船などの主要なハイエンド装備製造産業の基礎および中核基幹部品技術として認められています。

高性能金属部品のレーザー積層造形（一般に 3D プリントと呼ばれる）では、合金粉末またはワイヤを原材料として使用し、高出力レーザーによるその場での冶金溶融/急速凝固を通じて層ごとに蓄積します。図1に示すように、部品のデジタルモデルからワンステップで、高密度で高性能な大規模複雑金属構造部品のニアネットシェイプ直接製造を完了できます。鍛造+機械加工、鍛造+溶接などの従来の大規模金属部品製造技術と比較して、この技術には次のような独自の利点があります。
1) レーザーインサイチュ冶金/急速凝固は、「高性能金属材料の準備」と「大型で複雑な部品の成形と製造」を統合し、製造プロセスを短縮します。
2) 部品は、微細な結晶粒、均一な組成、緻密な構造を有する急速凝固非平衡組織を有し、総合的な機械的性質に優れています。
3) 大規模な鍛造・鋳造産業設備とそれに伴う支援インフラが不要で、鍛造ブランクの準備や鍛造金型の製造も不要で、その後の加工代も少なく、材料利用率が高く、サイクルが短く、コストも低い。
4) 部品の構造設計の変更に「極めて迅速に」対応できる柔軟性が高く、構造設計が製造技術によって制限されなくなりました。
5) レーザービームはエネルギー密度が高く、W、Mo、Nb、Ta、Ti、Zr などのさまざまな耐火性、難加工性、高活性、高性能の金属材料のレーザー冶金急速凝固材料調製と複雑な部品の直接「ニアネット成形」を容易に実現できます。
6) 部品の作業条件や使用性能要件に応じて、局所レーザー溶融堆積材料の化学組成と微細構造を柔軟に変更することができ、マルチマテリアルや傾斜材料などの高性能金属材料部品の直接ニアネット成形を実現します。

図1 高密度金属部品のレーザー溶融堆積積層造形原理の模式図。この技術は、前述の独自の製造技術の利点により、「変革的」低コスト、短サイクル、高性能、「形状制御/特性制御」統合、グリーン、デジタル製造技術として高く評価されています。この技術は、国防や産業の主要な設備における大型で加工が難しい金属部品の製造に、高速、柔軟、低コスト、高性能、短サイクルという新しい技術的アプローチを提供することが期待されています。この技術は、航空、宇宙、原子力、石油化学、造船などの将来のハイエンド主要設備製造における大きな発展の可能性と幅広い展望を持っているため、過去20年間で材料加工工学と先進製造技術の国際的な交差点における最先端の研究ホットスポットの1つとなり、世界中の政府、産業界、学界から大きな注目を集めています。

1 国内外の研究の現状<br /> レーザー溶融/急速凝固の層状堆積の原理によって高密度金属部品を製造するという技術的なアイデアは、実は早くも 1978 年に米国のユナイテッド テクノロジーズ リサーチ センターによって提案され、「レーザー層状グレージング」プロセスと名付けられました。当時、金属部品に対する現代のレーザー積層造形技術のほぼすべての利点が明確に指摘されていたにもかかわらず、当時の産業用レーザー出力と CNC 技術の限界により、この技術はすぐには人々の注目を集めませんでした。

高出力産業用レーザー技術とラピッドプロトタイピング技術の発展に伴い、1992年以来、同軸粉末供給レーザー溶融堆積法に基づく高密度金属部品のレーザー積層造形技術が世界中で大きな注目を集めています。米国のサンディア国立研究所やロスアラモス国立研究所、ドイツのスタンフォード大学、ミシガン大学、アーヘン大学、フラウンホーファーレーザー技術研究所、英国の溶接研究所、バーミンガム大学などの研究機関がこの技術を徹底的に研究し、金属部品のレーザー積層造形プロセスと装置を次々と開発してきました。米国サンディア国立研究所のLENS、ロスアラモス国立研究所のDLF、スタンフォード大学のSDM、ミシガン大学のDMD、ドイツのフラウンホーファーレーザー研究所のLMDなどの研究機関と提携し、チタン合金、ニッケル基高温合金、ステンレス鋼、合金鋼、Reなどの高融点金属を含む小型金属部品のレーザー直接積層造形技術について多くの研究と探求を行ってきました。 この時期に特に注目すべきは、チタン合金部品のレーザー溶融積層造形技術がこの分野の研究の焦点となっていることです。これは、チタン合金が低密度、高比強度などの優れた利点を持っているためです。航空機の胴体補強フレーム、主要荷重支持梁、​​航空エンジンの一体型ブレードなど、大型の重要な主要荷重支持部品として広く使用されています。しかし、チタン合金は成形加工性能が悪く、製造プロセスが複雑です。従来の成形製造技術と比較して、レーザー積層造形技術を使用して大型チタン合金部品を成形することは、明らかな技術的および経済的利点があります。特に、1992年から2005年にかけて、米国のジョンズ・ホプキンス大学、ペンシルバニア州立大学、MTSコーポレーションは、ボーイング、ノックヒード・マーティン、ノースロップ・グラマンなどの軍用航空機メーカーと緊密に協力し、チタン合金構造部品のレーザー積層造形技術に関する広範な研究と重要な進歩に基づいて、1998年に航空チタン合金部品のレーザー積層造形技術のエンジニアリング応用を専門とする会社であるAeroMetを設立しました。レーザー積層造形法で製造したチタン合金製小型実大翼部品は、2000年9月にそれぞれボーイング社とノックヒード・マーティン社で地上性能試験評価に合格しました。2002年には「Ti6Al4Vチタン合金レーザー積層製品」の航空宇宙材料規格が制定され、同年、レーザー積層造形法で製造したチタン合金製小型二次荷重支持部品の検証評価と取り付け応用が初めてF/A-18などの航空機で実現しました。残念ながら、レーザー積層造形プロセスにおける「熱応力」制御問題を効果的に解決できなかったため、大型主要荷重支持基幹部品のレーザー積層造形のキーテクノロジーは突破できていません。部品の「内部品質」（冶金欠陥、粒子、微細構造など）の制御が効果的に解決されていないため、熱間静水圧プレス（HIP）やオープンダイ鍛造などの後続の緻密化処理後でも、高サイクル疲労などの主要な機械的特性が鍛造レベルに達しておらず（図2を参照）、航空機の重要な主要荷重支持部品にレーザー積層造形部品を適用することが困難になっています。 2005 年 10 月、AeroMet は閉鎖を余儀なくされ、レーザー積層造形技術に関する国際的な研究は停滞しました。金属部品のレーザー積層造形技術の研究に従事していたほとんどの部門は、レーザー修理および再製造の分野に転向しました。

図2 レーザー積層造形法による3つの状態におけるTi6Al4Vチタン合金部品の高サイクル疲労特性と鍛造品および鋳造品との比較 2000年以来、わが国では、総装備部、国家科学技術工業局国防総省、国家「973」計画および「863」計画、中国国家自然科学基金、教育部の長江学者およびイノベーションチーム育成プログラムなど、主要な国家科学技術プログラムが、同期粉末供給レーザー溶融堆積法に基づく高性能金属部品のレーザー積層造形技術の研究支援に注力してきました。清華大学、西安交通大学、西北工業大学、北京非鉄金属総合研究所、西北非鉄金属研究所、華中科技大学、北京航空製造工学研究所、北京航空航天大学などの研究機関は、チタン合金、ニッケル基高温合金、ステンレス鋼、超高強度鋼、耐火合金、耐熱鋼、高温構造金属間化合物合金、チタン基複合材、構造傾斜材料などの高性能金属材料のレーザー積層造形プロセス、設備、組織、性能研究において重要な研究成果を達成しました。

たとえば、Tsinghua Universityは、直径191 mmと高さ305 mmのW60NI40 Tungsten-Nickel Alloy Thin Wallで作られた複雑なハードX線望遠鏡の重要な成分を製造しています。 Huazhong Science and Technologyは、レーザー融解堆積プロセスに関する詳細な研究を実施し、316Lなどのステンレス鋼の組織特性を形成し、615 mm×216 mm×236 mmのサイズのサイズのサイズを持つ複雑なコンポーネントサンプルを形成します。 TC4やTA15などのチタン合金、ニッケルベースの高温合金、ReNI88DTやIN718、NITI合金およびTI/NIグラデーション材料などのチタン合金に関する構造と特性の研究、2012年には、大きな乗客航空機用の上部および下翼リブなどの大きなチタン合金コンポーネントを開発しました。 特に特筆すべきは、北京航空航天大学が瀋陽航空機設計研究院、第一航空機設計研究院、瀋陽航空機産業集団公司、西安航空機産業集団公司などの部門と長期にわたり緊密な「産学研」協力関係を結んでいることである。2005年に同大学は航空機チタン合金の小型および二次荷重支持構造部品のレーザー積層造形の鍵となる技術を突破し、模型飛行機への取り付け工学応用を成功裏に実現し、わが国は米国（2002年）に続いて世界で2番目にチタン合金の小型および二次荷重支持部品のレーザー積層造形の実際の取り付け工学応用を実現した国となった。

これを基に、2007年にレーザー積層造形プロセス、完全なエンジニアリング設備、大型で主要な荷重を支える航空機チタン合金部品の内部品質と機械的特性の制御などのキーテクノロジーで突破口を開き、完全な技術標準システムを初めて確立しました。一連のコアテクノロジーと4,000mm×3,000mm×2,000mmの部品製造能力を備えた航空機チタン合金部品用のレーザー積層造形設備一式を開発しました。また、TA15、TC18、TC4、TC21、TC11などのチタン合金製の大型で一体型の複雑な主要荷重を支える航空機補強フレームなどのキーコンポーネント（図3を参照）や、A100などの超高強度鋼製の航空機着陸装置のキーコンポーネントも製造しました。2008年以来、C919大型旅客機などの大型航空機を含むさまざまなタイプの航空機の開発と生産に応用されています。この喜ばしい進歩により、我が国は、航空機用チタン合金の大型一体型主要荷重支持部品のレーザー積層造形技術を突破し、それを設備工学に応用した世界で唯一の国となりました。

2. 基本的な材料の問題
高性能な大型金属部品のレーザー溶融堆積積層造形は、長時間のレーザーによる点ごとのスキャン、線ごとの重ね合わせ、層ごとの溶融と凝固の蓄積（積層造形）により、3次元の複雑な部品の「ニアネット成形」を実現します。これは、実際には、レーザー超冶金/急速凝固の高性能「材料準備」と、大型で複雑な部品の層ごとの積層「直接製造」（つまり、材料準備/部品成形の統合、成形/制御性の統合）の統合プロセスです。このプロセスの材料非平衡物理冶金および熱物理プロセスは非常に複雑で、「レーザー/金属（粉末、固体基板、溶融池液体金属など）相互作用」、移動溶融池の「レーザー異常冶金」、超高温勾配および強い拘束条件下での移動溶融池の「急速凝固」、3次元コンポーネントの層ごとの積み重ねの「内部質量変化」、および複雑な拘束長期周期条件下での「熱応力変化」が同時に発生します。

材料冶金と熱機械結合などの極めて複雑な現象は連動して発生し、互いに強い影響を及ぼします。レーザー積層造形プロセスにおける「材料物理冶金学」や「材料熱物理学」などの材料科学問題の研究は、部品の「熱応力制御と変形割れ防止」や「内部品質と機械的特性制御」など、高性能大型金属部品のレーザー積層造形の開発と応用を長い間制限してきた「ボトルネック問題」を効果的に解決するための基礎であるだけでなく、この技術の利点が十分に活用され、エンジニアリングアプリケーションに向けて推進できるかどうかを判断するための基礎でもあります。 チタン合金、ニッケル基合金、アルミニウム合金、合金鋼、金属間化合物合金、耐火合金などの高性能難加工金属の大型主要部品のレーザー積層造形、ならびにそれらの「成形/成形一体化」の能動制御、およびより迅速なエンジニアリングの推進と応用を実現できるかどうかは、上記のさまざまな金属材料のレーザー積層造形プロセスにおける5つの共通の材料基本問題に対する人々の研究と理解の深さに大きく依存すると著者は考えています。

2.1 レーザー/金属相互作用挙動とエネルギー吸収および有効 利用メカニズム：高性能大型金属部品のレーザー溶融堆積積層造形は、吸収されたレーザーエネルギーを利用して、同期輸送される金属粉末またはワイヤ原料を溶融し、「層ごとに凝固・蓄積」することで、3次元の高密度金属部品の「成形・製造」を実現します。積層造形の効率の低さは、金属部品のレーザー積層造形技術の開発を制限する主な欠点の 1 つと考えられています。金属部品の層ごとのレーザー溶融堆積積層造形における金属のレーザー吸収率、吸収されたレーザーエネルギーのうち金属を溶融するためにどれだけの量が使用されるか（有効エネルギー）、部品本体の熱伝導にどれだけ消費されるか（無効エネルギー）などの基本的な質問に答えることによってのみ、金属部品のレーザー溶融堆積積層造形の効率を効果的に向上させるなどの技術的問題を解決することができます。実際、上記の基本的な質問は、レーザー表面再溶融、表面合金化、クラッディングなどの金属レーザー溶融処理の分野では長い間答えられていない基本的な質問でもあります。

著者は、上記の問題の解決には、レーザー/金属相互作用（レーザーと金属粉末原料、金属固体基板、溶融池合金溶融物と溶融池上のガスまたは光誘起プラズマとの相互作用を含む）と、金属部品のレーザー溶融堆積積層造形プロセス中に吸収されたレーザーエネルギーの非線形伝達および変換挙動に関する詳細な理論的および実験的研究が不可欠であると考えています。研究を通じてレーザーエネルギーの主な吸収メカニズムとプール底部の熱伝導の主な制御要因を発見することによってのみ、レーザー吸収率の能動制御、吸収されたレーザーエネルギーの有効利用、金属部品のレーザー積層造形の効率を効果的に達成することができます。

2.2 内部冶金欠陥の形成メカニズムと機械的挙動<br /> 高出力レーザービームが「点ごとのスキャン溶融 - 線ごとのスキャン重ね合わせ - 層ごとの凝固蓄積」を長期にわたって往復する大型金属部品のレーザー溶融堆積積層造形プロセスでは、主なプロセスパラメータ、外部環境、溶融池の溶融状態の変動と変化、スキャンと充填の軌跡の変化などの不連続性と不安定性により、部品内部の堆積層と堆積経路の間、堆積経路間、単一の堆積層内などの局所領域にさまざまな特殊な内部冶金欠陥（局所的な未溶融層と経路、エアギャップ、閉じ込められた沈殿した気孔、微細セラミック不純物、特殊な内部亀裂など）が発生する可能性があり、最終成形部品の内部品質、機械的特性、使用安全性に影響を及ぼします。実際、内部の冶金欠陥制御は常に重要な技術の 1 つでした。

著者は、大型金属部品のレーザー積層造形技術の開発と応用を長らく制限してきた上記の内部欠陥制御問題を効果的に解決し、金属部品のレーザー積層造形プロセスにおける内部欠陥の能動制御を実現し、信頼性の高い内部欠陥非破壊検査方法を確立し、金属部品のレーザー積層造形の実際のエンジニアリング応用を可能にするためには、チタン合金、ニッケル基合金、アルミニウム合金、合金鋼などのさまざまな金属材料システムについて、以下の基本的な問題について体系的かつ詳細な研究を行う必要があると考えています。

1) レーザー積層造形特有の内部冶金欠陥の基本特性、形成メカニズムおよび制御方法。
2) 電磁場や超音波などの外部物理場や外部媒体におけるレーザー積層造形特有の内部冶金欠陥に対する物理化学的応答挙動、非破壊検査特性および方法。
3) レーザー積層造形特有の内部欠陥のマイクロメカニカル挙動、材料や部品の機械的特性への影響、および欠陥損傷許容特性。

2.3 移動溶融池の拘束凝固挙動と成分の結晶粒形態の進化 大型金属部品のレーザー層状溶融堆積積層造形プロセスは、実際には、レーザー冶金の高温溶融プールが「界面熱抵抗なし」、急速な熱伝導、超高温勾配、超高速冷却速度という条件下で、固体金属基板上に層状に急速に凝固して堆積されるプロセスです。移動する溶融池内の合金溶融物の冶金学的運動挙動とその結晶核形成および成長プロセスは、最終的な積層造形部品の冶金構造（粒径、粒子形態、結晶配向、粒界構造、化学組成の均一性など）と機械的特性を直接決定し、レーザー積層造形プロセスパラメータとプロセス状態の変化に対して高い感度と複雑な変動性を示し、部品の冶金構造の一貫性と機械的特性の安定性の制御に大きな困難をもたらします。 明らかに、レーザー積層造形法で製造された大型金属部品の凝固構造と機械的特性の能動的な制御を実現し、部品の凝固粒子の形態と配向、および部品のさまざまな部分の粒子の形態と配向の能動的な制御方法を確立するには、レーザー積層造形法で製造された大型金属部品の急速凝固挙動、チタン合金、ニッケル基合金、アルミニウム合金、合金鋼などのさまざまな金属材料システムの部品凝固構造の発展法則など、次の重要な物理冶金の基礎問題について詳細な研究を行う必要があります。

1) 大型金属部品のレーザー溶融堆積積層造形プロセスにおける移動溶融池のレーザー異常冶金動的特性と熱および質量移動挙動。
2) 超高温勾配と強い拘束条件下における移動溶融池における急速凝固の不均質核生成と成長の動的特性、および溶融池内の局所凝固構造の発達則。
3) 移動溶融池における局所凝固の結晶粒形態進化メカニズムと層ごとに積み重ねられた三次元部品の結晶粒形態選択則。

2.4 非定常過渡周期固相相変態挙動と微細組織形成則
現代のハイエンド機器の主要部品の製造に使用されるチタン合金、ニッケル基高温合金、高強度アルミニウム合金、高強度合金鋼などの高性能金属構造材料は、合金化度が高く、固体相変化プロセスが複雑です。その微細構造と機械的特性は、固体相変化において極度の変動性と複雑さを示します。固体相変化プロセスを正確に制御することは、金属材料の性能ポテンシャルを制御し、引き出すための重要な手段となっています。 金属部品のレーザー積層造形プロセスは、実際には、複数の溶融「点ごとのスキャン - 線ごとのオーバーラップ - 層ごとの蓄積」の長期往復プロセスです。 長い積層造形プロセス中に、部品のさまざまな部分にある各堆積層の固体材料は、その後の層ごとの堆積プロセスで、複数のサイクル、可変サイクル、強力な加熱と冷却の短期熱履歴を経験しています。 つまり、部品のさまざまな部分の材料は、図4に示すように、一連の短期、可変温度、非定常、強い制約、周期的な固体相変化プロセスまたはマイクロ熱処理プロセスを経ています。このマイクロ熱処理の加熱および冷却速度は非常に速く、相変化の持続時間は非常に短いです。さらに、各マイクロ熱処理の相変化温度、加熱および冷却速度、相変化持続時間は熱サイクルの数によって変化し、レーザー積層造形された金属部品の独特な微細構造をもたらし、レーザー積層造形プロセス条件に強く依存し、変動性を示します。金属部品のレーザー積層造形プロセスにおける極めて異常な条件下での金属固体相変態の運動特性は、従来の熱処理固体相変態の運動特性とは大きく異なります。上記の金属固体相変態特性に関する研究報告はほとんどありません。

一方、レーザー積層造形プロセスの極めて優れた固体相転移速度は、並外れた微細構造と機械的特性を得るための新たな機会も提供します。 したがって、レーザー積層造形法で製造された大型金属部品の固体相変態の微細構造と機械的特性を積極的に制御し、レーザー積層造形法の独自の潜在能力を最大限に活用して、異常かつ極端な固体相変態の運動条件下での微細構造を制御するには、金属レーザー積層造形プロセスの短期的および周期的な固体相変態に関連する以下の基本的な問題をさらに理解する必要があります。

1) レーザー積層造形法による長期非定常熱サイクル下における金属の短期周期的固体相変態の熱力学的および運動学的特性。
2) レーザー積層造形法による長期非定常熱サイクル下における金属固相の変形核形成および成長挙動、微細構造特性および進化法則。
3) レーザー積層造形法による高温勾配と高応力勾配の結合下における金属の短期周期的固体相変態挙動と微細組織形成メカニズム。

2.5 内部応力の発達と部品の変形および亀裂の防止と制御<br /> 大型金属部品のレーザー溶融および積層積層造形プロセスの材料物理、化学、冶金現象は複雑であり、成形時間も長くなります。レーザー積層造形プロセスでは、部品は高エネルギーレーザービームによる長期にわたる周期的かつ激しい非定常の周期的な加熱と冷却、および短期的な非平衡周期的な固体相変化を受けます (図 4 を参照)。強い拘束下で移動する溶融池の急速な凝固収縮などの異常な熱物理的および物理的冶金的現象により、熱応力、相変化構造応力、および非常に高い応力レベルの拘束応力、極めて複雑な進化と相互作用のプロセス、および部品内の強い非線形強結合相互作用と応力集中が生じ、部品の深刻な反り、変形、および亀裂が生じます。レーザー積層造形プロセスにおける内部応力の発展法則や、非線形および非定常結合相互作用下での部品の変形および亀裂挙動に対する深い理解が不足しているため、国内外の主な研究対象は依然として小型で複雑な部品に限られています。


内部応力制御と変形亀裂は長い間、大型金属部品のレーザー積層造形技術の開発を制限するボトルネックとなってきました。著者は、レーザー積層造形における大型金属部品の内部応力を効果的に制御し、大型金属部品のレーザー積層造形における「変形と割れ」の発生を効果的に防止し、成形部品の幾何学的形状と寸法精度を向上させるためには、レーザー材料の熱物理に関連する以下の 4 つの基本的な問題について詳細な研究を行う必要があると考えています。
1) 周期的、非定常的、長期的熱サイクル下における部品の熱/機械結合挙動、「熱応力」の発展法則、およびそれらのレーザー積層造形プロセス条件および部品構造との相関関係。
2) 周期的、非定常的、周期的な加熱および冷却条件下での材料の短期拘束固体相変態/機械的結合挙動、構造応力形成法則および制御方法。
3) 超高温勾配下における移動溶融池の「拘束急速凝固収縮応力」の形成メカニズムと発展則。
4）レーザー添加剤製造中の部分の熱応力、構造応力、および凝固縮小ストレスの非定常状態結合相互作用、ストレス集中の進化法、およびその作用下の部分の変形と亀裂挙動。

3. 結論
1）大型金属成分のレーザー融解堆積添加剤製造技術は、高性能、短縮、低コスト、「形状制御/プロパティコントロール」であり、統合された、緑、変換、デジタル製造技術を備えています。 S、特別な合金鋼など。高価で、耐火性があり、処理が困難で、工業用ハイエンド機器で非常に活発です。
2）大型金属成分のレーザー添加剤製造は、レーザー冶金/迅速な固化の「高性能材料の調製」を有機的に組み合わせた「形成/性能統合」の統合プロセスと、層ごとの堆積の「大きな成分の直接製造」です。
高性能の大規模なキーメタル成分のレーザー添加剤製造技術は、エンジニアリングに迅速に開発および適用される可能性がありますATE相の変化挙動と微細構造形成法、内部ストレス進化法と成分の変形および亀裂防止方法。

編集者：南極熊の著者：Wang Huaming（航空宇宙材料の主要研究所および教育省、材料科学工学部、Beihang University、Research of Laser Additive Manufuming Technology of National Defense Science and Technology Industry）


分析、高性能、高性能、パフォーマンス、大規模

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