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

著者: 王淑文1、陳淑軍1、趙啓悦1、袁涛1、江暁青1、趙鵬静1、山河1、丁武通2
1. 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、北京100124、中国
2. 中国科学院金属研究所、瀋陽 110016、中国

高強度アルミニウム合金は、その高強度、低密度、優れた延性、耐腐食性により、航空宇宙および自動車用途の部品に最も一般的に使用される金属材料の 1 つとなっています。アーク積層造形技術は、複雑な構造部品をその場で迅速に形成・製造する能力を備えており、中型または大型の高強度アルミニウム合金部品の製造に非常に適しています。本論文では、高強度アルミニウム合金アーク積層造形プロセスと設備の研究開発の現状、高強度アルミニウム合金アーク積層造形の固有の特性と欠陥、および主要な性能最適化方法を総合的に分析し、組織と性能の固有の特徴、および複合積層造形技術が組織と性能に与える影響について論じた。高強度アルミニウム合金のアーク積層造形において無視できない本質的な冶金欠陥、特性性能要件、各種最適化プロセスの長所と短所を考慮して、高強度アルミニウム合金のアーク積層造形の総合評価システム、組成設計とワイヤ開発、特殊熱処理システム、複合積層造形技術の相乗効果などの開発方向を提案し、高強度アルミニウム合金のアーク積層造形の性能向上と応用促進に重要な参考資料を提供します。

産業革命の急速な発展の新しい時代では、新しいエンジニアリング材料の需要も増加しており、現代の世界をより新しく、より速く、より強く、よりエネルギー効率の高い製造プロセスの新しい時代へと導く必要があります[1]。ワイヤアーク積層造形 (WAAM) は、従来の溶接技術と積層造形を組み合わせたもので、電気アークを熱源として使用し、フィラーワイヤを原料として層ごとに堆積させて、目的の 3D 形状を作成します。 WAAMは、減算製造や他の積層製造プロセスと比較して、比較的歴史が短いですが、処理材料の消費量が少ないです[2]。高い堆積効率、低い設備コスト、高い材料利用率、大型部品の製造能力、高い設計自由度、幅広い材料の可用性、ハイブリッド製造、環境汚染の低さなどの利点があります[3]。多くの工業製造分野でますます注目を集めており、金属インテリジェント製造の分野で幅広い発展の見通しがあります[4]。

アルミニウム合金は、高強度、低質量密度、優れた延性、高耐食性のため広く使用されています[5]。同時に、高い電気伝導性、高い熱伝導性、優れた製造性により、アルミニウム合金は航空宇宙および輸送分野で使用される最も有望な材料となっています。高強度アルミニウム合金とは、一般的に熱処理により強度を高めることができる銅を含む2×××アルミニウム合金や亜鉛を含む7×××アルミニウム合金のことを指し、主に高強度、高靭性、耐腐食性、高耐損傷性が求められる航空宇宙分野で使用されています。航空機の設計アイデアの継続的な革新により、先進的な航空機やその他の部品の製造に対する要件はますます高まっています。アルミニウム合金WAAMは、従来の製造方法では実現が困難な大型で複雑かつ精密な部品の直接製造を実現できます[6]。複雑なツール、金型、ダイを必要とせずに、最終形状に非常に近いプリフォームを製造できます。そのため、高強度アルミニウム合金の付加製造技術に対する需要が強く、機器製造業界に直接役立つ新しい成形技術が緊急に必要とされています[7]。

これまでWAAMに関する研究は数多く行われてきましたが、プロセスと理論は徐々に成熟し、鋳造品に匹敵する大型構造部品が製造されるようになりました[2]。しかし、まだ初期段階にあり、熱源や設備の研究開発、高強度アルミニウム合金のマイクロアロイング設計、プロセス開発、欠陥除去方法など、解決すべき問題が数多くあります。本稿では、WAAM高強度アルミニウム合金の凝固特性、強化メカニズム、欠陥の原因、最適化方法の主な原理に焦点を当て、WAAM高強度アルミニウム合金の熱源と設備、固有の組織と性能特性、固有の冶金欠陥と性能最適化方法について論じます。また、総合的な性能評価システム、成分設計とワイヤ開発、特殊熱処理システムと複合積層造形技術の相乗効果の開発方向にも期待し、アーク積層部品の形状を改善し、高強度アルミニウム合金の適用範囲を拡大し、高強度アルミニウム合金の研究進歩を加速します。

1 高強度アルミニウム合金WAAMシステムの開発状況<br /> 現在までに研究者らは、電子ビーム溶融法（EBM）、選択的レーザー溶融法（SLM）、電子ビーム自由成形製造技術（EBF）、直接エネルギー堆積法（DED）など、積層造形法に基づくさまざまなアルミニウム合金成形技術を徐々に研究してきた[8]。 WAAMは、設備コスト、部品製造サイズ、製造効率、品質管理の観点から、3D部品を層ごとに積層する大型アルミニウム合金部品を製造するための重要な技術として業界で広く受け入れられています[9]。現在では、WAAMプロセスは、1925年にベイカーがフィラーワイヤを原料として電気アークを利用して金属装飾を堆積させるという提案から始まったと一般に信じられています[10]。高品質のコンピュータ支援設計および製造ソフトウェア（CAD / CAM）の登場により、積層造形の広範な使用が可能になり、特にWAAMは重要な開発分野となっています。関連する学者たちはWAAMと他の付加的プロセスの相対的な利点を評価してきた［11-12］（図1参照）。 WAAM の主な利点は、納期、材料の無駄、機能の向上にあります。また、小ロット部品用のツールやマルチマテリアル構造の設計に関するカスタマイズされたサービスも提供できます。
図1
WAAM システムには、主に熱源、ワイヤフィーダー、補助シールドガス、加熱要素、センサーが含まれます。 WAAMプロセスは、熱源の特性の違いにより、一般的にガスメタルアーク溶接（GMAW）[13]、ガスタングステンアーク溶接（GTAW）[14-15]、プラズマアーク溶接（PAW）[16]の3種類に分けられます。製造プロセスの原理を図2に示します。 WAAM技術には特定の特性があり、GMAWとGTAWのエネルギー効率は90%を超えることもあります［17］。 GMAWの堆積速度はGTAWやPAWの2～3倍である[3]。しかし、GMAWは安定性が悪い。電流がワイヤに直接作用してワイヤを溶かすため、溶接煙やスパッタ、特に溶融液滴スパッタが多く発生する。 WAAM プロセスの選択は、対象部品の加工条件と生産性に直接影響を与えることがわかります。

図2
GMAWは、電気アークを利用してワイヤを直接溶かして堆積形成を行うもので、金属不活性ガス溶接（MIG）と冷間金属転写（CMT）に分けられます[18]。 CMT添加剤技術の発展に伴い、多くの学者はCMTが最も適した添加剤製造技術であると考えています[19]。これは、CMTは冷却速度が高く、大きな飛散や気孔の問題をある程度回避できるためです。 CMT技術は、図2(b)に示すように、溶融池への熱の蓄積を避けるために、交互に高温と低温の方法を使用して、アーク始動-溶融池の充填とアーク消弧-短絡回路の除去-往復サイクル[20]の4つのプロセスを統合します。関係する学者は、CMT は溶接ワイヤが非反応性の不活性ガス中で溶融池に入るため、高精度のサイズ制御を実現できるため、低コストの溶融ワイヤ添加法であると考えています。 GTAWはWAAM製造プロセスの中で最も要求の厳しい技術の一つであり[21]、溶接効率は最大83%である[22]。 GTAWはタングステン電極の先端を使用して溶接ワイヤを溶融する[23]ため、スパッタの問題はある程度軽減されます。しかし、溶接ガンとワイヤ供給は互いに独立しているため、ワイヤ供給方向と溶接ガンの移動方向を完全に一致させる必要があり、複雑な構造部品の製造が困難です。 PAWは2006年に積層造形分野に参入し、最初にステンレス鋼の製造に使用されました［24］。 PAW は、主にタングステン電極と不活性ガスで構成されるプラズマアークを熱源として使用します。ワイヤフィーダーは溶接ガンの下部にあります。溶接ワイヤは溶融して基板上に堆積します。このプロセスを繰り返して積層製造を実現します。

2 高強度アルミニウム合金WAAMの特性と欠陥

2.1 構造と性能の本質的特性

2.1.1 組織の本質的特性

WAAM プロセスの成形プロセスでは、層ごとに堆積する熱入力により、高強度アルミニウム合金の特性が他の成形方法や他のアルミニウム合金とは異なり、完全に排除することはできません。この記事では、それらを「固有の特性」と呼びます。 WAAM は層間クラッディングによって堆積されるため、層間結合が組織の主な特徴となり、重要な強化領域となります。異なるプロセスと材料は異なる層間特性を示します［25-27］。一般的に言えば、追加のエネルギー場やその他の要因の影響を受けずに、WAAMコンポーネントの各層には、溶融プールゾーン（MPZ）、溶融プール境界（MPB）、熱影響部（HAZ）があり、図3（a）に示すように、このプロセスが繰り返されます[25]。 Dongら[26]は、層間を上部領域（UP）と下部領域（LP）に分割した。UPの粒子は堆積層の開始位置から始まり、LPの粒子は最後から2番目の層と最後の層の間の融合線から始まった（図3（b））。 UP層の成長は堆積した柱状結晶の継続的な成長に依存しますが、このとき、LP層の成長は溶融池の底部からの新しい結晶の核生成と成長に依存するため、柱状結晶の成長は妨げられます。

図3
2.1.2 機械的性質の固有特性

これまで多くの研究は、アークモード、ワイヤ送り速度、堆積速度などのさまざまなプロセスパラメータを変更し、後処理によって最適化することで、WAAM 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を改善することに焦点を置いてきました。しかし、亀裂感受性が高いため、高強度アルミニウム合金部品の製造に成功したという報告はほとんどありません。単純な肉盛溶接で堆積された高強度アルミニウム合金部品の引張強度は、300MPaを超えないことが多い［26-27］。 WAAM 高強度アルミニウム合金に関連する亀裂、多孔性、不均一な微細構造、残留応力、変形などの欠陥は、研究者にとってさらに困難なものとなっています。

高強度アルミニウム合金の強度は、主にアルミニウムマトリックス内の高密度ナノ析出物による析出硬化によって生じます。Al-Cu合金は主に高密度のAl2Cu（θ′）を析出させ、強度を大幅に向上させます。Al-Zn-Mg-Cuアルミニウム合金で形成される主な強化相MgZn2（η′）はサイズが小さく、分布がより分散しており、より顕著な析出硬化効果があります。高強度アルミニウム合金部品の強化効果は、温度と時間と密接に関係しています。 WAAMの多重熱サイクルは堆積初期に熱蓄積を引き起こし、徐々に放熱条件を悪化させる。さらに、その後の堆積熱は形成された層に異なる温度とサイクルの熱処理効果を及ぼす[28]。典型的なAl-Zn-Mg-Cuアルミニウム合金WAAMのさまざまな領域における熱サイクルと強化相の析出形態の概略図を図4(a)に示す［26］。非平衡凝固条件下では、部品の上部位置 A は析出温度範囲内で有効な熱サイクルを経験せず、合金元素はマトリックス内に溶解したままになります。基板に近い場所では、より効率的な熱サイクルが発生し、析出物が核形成して成長します。熱源からの距離が長くなると、その後の熱サイクルのピーク温度が析出温度範囲を下回る可能性があるため、析出相は成長しなくなり、位置 D の形態に安定します。典型的な7シリーズアルミニウム合金WAAM部品のナノ析出形態を図4(b)に示す［26］。連続的な熱サイクルにより、下層成分に粗大で非整合な安定相 η が形成されるため、その硬度は低下します。これは、継続的な熱サイクルにより堆積部品の過老化が発生し、特性に大きな異方性が生じることを意味します。

図4
2.1.3 腐食性能の本質的特性

組成の過冷却の違いにより、成分は独特の粒構造を持つ領域を形成する可能性がある［29-31］。さらに、高強度アルミニウム合金は熱処理可能であるため、WAAMは複雑な熱サイクルに関連する相変化を引き起こし、偏析、固溶体、過時効などの重大な化学的不均一性につながります[32-33]。これは必然的に合金の局部腐食に影響を与える［29］。また、WAAM高強度アルミニウム合金部品の機械的特性をさらに向上させるためには、WAAM法で製造された耐食金属部品の機械的特性に対する環境促進割れ（EAC）の影響を解析する必要がある。 EAC は、応力腐食割れ (SCC)、水素脆化 (HE)、硫化物応力腐食割れ、放射線誘起応力腐食割れ (IISCC) など、材料の複数の故障に影響を及ぼす傾向があります。経験上、Al7075-T6製の航空機部品は、特に海洋環境で運航する航空機では急速に腐食する傾向があることが分かっています[34]。 WAAMで製造されるアルミニウム合金の摩耗および腐食挙動は、アルミニウム合金部品がその使用期間中に摩耗および腐食に遭遇する領域が頻繁に使用されるため、適切に検査される必要がある[35]。腐食がひどい部品は、安全上の理由から交換する必要があり、交換には費用がかかります。したがって、WAAM アルミニウム合金で製造された部品の EAC 挙動を総合的に研究する必要があります。

2.2 高強度アルミニウム合金WAAMの冶金学的欠陥

WAAM 技術には大きな利点がありますが、高品質の WAAM コンポーネント製造を実現するための前提条件は、WAAM 熱条件下での高熱入力に適応するという特別な課題を解決することです。 WAAMアルミニウム合金の応用は、多孔性欠陥[26, 28]、亀裂および剥離[36-37]、残留応力[38-40]、変形、酸化、揮発性元素の蒸発などの一般的な欠陥によって制限されます。さまざまな金属WAAMプロセスにおける一般的な欠陥の範囲を図5に示します[3]。

図5
2.2.1 穴欠陥

穴欠陥は、高強度アルミニウム合金のWAAMプロセスで直面する大きな課題の1つです［2］。ワイヤ送り速度、移動速度、液滴移動パターンなど多くの要因が多孔性に影響を及ぼす可能性がある[41]。同時に、基材とワイヤの清浄度、溶接ワイヤの表面品質、シールドガスの清浄度、溶接プロセスパラメータはアーク安定性に影響を与え、穴欠陥を形成します［40］。一般的に、ホール欠陥は基板に起因するものとプロセスに起因するものに分けられます。基板の主な原因は、水分、グリース、および完全に除去できないその他の不純物です。汚染物質は溶融池に吸収されやすく、凝固後に穴を開ける原因となります。固体と液体では水素の溶解度が大きく異なるため、液体アルミニウムに微量の水素が溶解していても、凝固後に溶解度限界を超え、水素細孔が形成されることがあります。プロセスによって生じる穴は、主に経路計画の不備や堆積プロセスの不安定さが原因で非球形になることが多く、不十分な溶融や飛散につながりやすく、隙間や穴が形成されます。

純アルミニウムと比較して、高強度アルミニウム合金にMgやZnなどの合金元素を添加すると、水素の最大溶解度が変化する[42-43]。さらに、MgやZnなどの元素は融点が低く揮発性があるため、WAAM高強度アルミニウム合金の穴欠陥を制御することが困難になる。 Baiら[44]は、2319添加剤材料のホールに対する熱処理の影響を研究し、ホールは消失せず、層間位置に沿って増加することを発見した。上記から、添加剤コンポーネントの穴欠陥の制御と除去は非常に複雑であることがわかります。穴欠陥を制御および除去するための現在の方法には、主に次の3つの側面が含まれます。(1)ワイヤ品質の最適化。合金元素の組成と割合を最適化し、多孔性を低減できる Zr や Ti などの有益な元素を追加します。ワイヤの表面粗さを低減し[41]、ワイヤ表面からグリース、水分、その他の水素源などの炭化水素を除去します[45]。（２）プロセスパラメータを最適化する。保護ガスの最適化、熱入力の低減、熱源の最適化［46］、液滴遷移形状の調整［47］、層間温度の積極的な制御［48］など、適切なプロセスパラメータを制御します。（３）補助エネルギー場または複合添加技術レーザーアーク複合プロセス[49]、超音波アシストアーク[50]、層間冷間圧延[51]、層間ハンマリング[52]、層間摩擦撹拌処理[53]などの複合付加製造技術が使用されています。

2.2.2 クラック

凝固割れはアルミニウム合金のWAAMプロセスにおける典型的な欠陥である。高強度アルミニウム合金は割れに対する感受性が高く、すべての添加剤法で完全に回避することはできない[54]。アルミニウム合金は凝固温度範囲が広く、粒界凝固が存在するため、熱源が高いと冷却速度が速くなり、凝固割れが発生しやすくなります。 Guらの研究[55]によれば、堆積合金中の銅含有量を増やすと、凝固割れの感受性をある程度まで低減できる。 Ouyangら[56]は、粗大粒子と粒界における第二相の偏析がWAAMの凝固割れ感受性の増加の主な原因であると信じた。層間の固体の不十分な溶融による隣接層の剥離または分離も、後処理または熱処理技術では除去できない一般的な明らかな欠陥ですが、適切なプロセスパラメータに従うことで回避できます。合金組成を最適化し、凝固中の元素偏析を回避し、結晶粒を微細化し、適切な特性パラメータを調整することが、高強度アルミニウム合金の亀裂をなくす主な方法であることがわかります。

2.2.3 残留応力

WAAM プロセスでは、不均一な加熱と冷却のサイクルを複数回行う必要があります。高熱入力は粗大粒子などの構造上の問題を引き起こすだけでなく、残留応力や変形などの形状上の問題も生じます。残留応力には、ミクロレベルとマクロレベルの応力が含まれます。現在の研究では、熱入力を増やすと残留応力を効果的に低減できることが明らかになっていますが[57]、逆に熱変形が増加することもあります。多くの場合、薄肉部品の縦方向の残留応力は大きく、その結果、基板と部品の界面で残留応力が引張応力から圧縮応力に変換されます。これは、薄板のアーク溶接によって生成される残留応力に似ています。現在、WAAMにおける残留応力を引き起こす主な要因としては、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る[58]。

3. 高強度アルミニウム合金WAAMの性能最適化手法

現在、WAAM では高強度アルミニウム合金の形態品質を向上させるために補助方法が広く使用されています。性能最適化の主な方法としては、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 WAAM、微細構造設計)、凝固後処理 (熱処理、機械、超音波、レーザーショットピーニング)、凝固中の微細構造調整 (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補助最適化)、複合付加製造方法 (層間冷間圧延、機械ハンマリング、攪拌摩擦処理、ミリング) などがあります。

3.1 マテリアルデザイン

実際、鋳造などの従来の加工技術では、大型の高強度航空宇宙用アルミニウム合金部品の製造工程において、鋳造性能の悪さや購入対飛行比率の高さなどの課題に直面しており［59］、WAAMに高強度アルミニウム合金を適用する可能性を研究する研究者が増えています。最初の課題は、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、延性などの特性に重大な影響を与えることです[60]。もう一つの課題は、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が多く発生し、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。これまでのところ、WAAMで高強度アルミニウム合金を製造する方法は2つあります。1つはマルチワイヤ共晶溶解法[61-62]、もう1つは自家製原料法[46、63-64]です。 Yuら[61]は、ER2319、ER5356、Znの3線共晶合金を使用して、不均一な組成による典型的な異方性を示し、水平方向と垂直方向の引張強度がそれぞれ241MPaと160MPaの高強度アルミニウム合金を最適化しました。クラインら[46]は、新しいタイプの高強度アルミニウム合金溶接ワイヤAl-3.6Zn-5.9Mg-0.3Cuを開発し、CMTを使用して製造した。堆積後、2段階の時効処理を施し、引張強度は477MPaに達した。 Guoら[63-64]は7B55-Sc溶接ワイヤを開発した。添加プロセス中、Al3（Sc、Zr）粒子は凝固中に不均質核として作用し、等軸結晶の形成を促進し、微細構造を改良した。積層造形後のT6熱処理後の水平引張強度は618MPaと高く、600MPa級アルミニウム合金のWAAM製造における画期的な成果といえます。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アイデアとなり、ワイヤの種類とワイヤ供給速度を調整することで、合金組成が固定されたアルミニウム合金と傾斜アルミニウム合金の製造が可能になります。

国内外の学者は、積層造形にさまざまな熱源を使用するだけでなく、さまざまなワイヤ供給装置、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てきました。 WAAMで製造されたアルミニウム合金は、高入熱と温度勾配により粗大結晶粒と第2相が形成されることが多く、性能の低下につながります[61, 65]。そのため、アーク熱入力を低減して結晶粒を微細化することが重要な最適化方法である［66］。ホットワイヤアーク積層造形法（HWAAM）は、WAAMをベースにした新しい製造方法であり、総合的な性能に優れた部品を製造できる[67]。 HWAAMの原理は、WAAMシステムに抵抗電源を追加することです。抵抗電源の正極はスライダーを介してワイヤに接続され、負極は基板に接続されます。ワイヤが溶融池に送り込まれると、回路が接続され、抵抗器によって生成された抵抗熱がワイヤを加熱します。ホットワイヤは、溶接ワイヤの溶融を助け、堆積効率を向上させるだけでなく、アークエネルギー入力を減らし、柱状結晶から等軸結晶への変化を促進します。 Fuら[67]はHWAAM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。

3.2 固化後の処理

熱処理により硬化するアルミニウム合金の場合、WAAM後の熱処理が一般的な処理方法となっている。T6熱処理は、析出強化を達成して引張強度と均一な微細組織を改善し[68-69]、残留応力を低減するためによく使用される。 Liら[69]は7シリーズのWAAM部品にT6熱処理を施した。その結果、T6処理により第2相の数とサイズが減少し、元素が均一に分散され、硬度、引張強度、伸びが大幅に向上することが示された。ただし、精密アルミニウム合金 WAAM 部品の熱処理プロセス中に、急速冷却による変形制御が発生する可能性があり、ひび割れが発生する可能性さえあり、部品の精度と性能に重大な影響を与えることに注意してください。したがって、材料特性に合わせて適切な冷却材と特殊な熱処理プロセスを開発することは価値があります。

さらに、国内外の学者も熱間鍛造やショットピーニングなどの凝固部品の機械的熱処理を実施しているが、現在のところ鋼材のみが対象となっている[70-72]。鍛造プロセスにより、付加部品に圧縮成形を導入することができ、これにより空隙を結合し、粒子の微細化を開始し、テクスチャを除去または低減し、表面仕上げを向上させることができます。ショットピーニングは、材料表面に塑性変形を引き起こすことで結晶粒の微細化を促し、疲労寿命と強度を大幅に向上させます。特殊な使用要件が求められる高強度アルミニウム合金の場合、部品表面を特殊処理することで、耐食性、耐摩擦・摩耗性、耐疲労性をある程度向上させることができるため、高強度アルミニウム合金に適した機械的熱処理を開発する価値があります。

3.3 凝固中の組織調節

複合熱源の溶接技術は材料接合によく応用されています。近年、WAAM の実現可能性を拡大し、熱蓄積による過剰な粒径の問題を解決するために、いくつかの新しい複合 WAAM 技術が使用されています。 Baiら[73]は、単一のTiGで堆積した2219アルミニウム合金の粒径は約50μmであることを発見した。 Congら[47]は、高度な冷間金属移動パルス（CMT-PADV）プロセスを使用して、気孔を効果的に除去し、結晶粒を微細化し、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化は、高エネルギーレーザーと適応性の高いTIGを組み合わせた効率的で高品質なプロセスです。レーザーアークの相乗効果により、レーザー熱入力により小孔内の粒子が微細化され、高い冷却速度が達成され、機械的特性が向上します[74]。 Wuら[49]は、新しいレーザーTIG複合積層造形技術を用いて、亀裂のない低気孔2219アルミニウム合金の製造に成功した。溶融池は上部アークゾーン（AZ）と下部レーザーゾーン（LZ）に分割され、レーザーの撹拌作用により粒子はより細かくなり、元素分布はより均一になった。 Liuら[75]は、革新的なパルスレーザーアーク複合プロセスを開発し、熱処理を施すことで、最大602MPaの強度を持つAl-Zn-Mg-Cuアルミニウム合金の製造に成功した。従来のアーク電流波形に超音波周波数パルス電流を加えて調整することで、超音波周波数パルスアーク熱源を実現できます。周波数変調超音波パルスアークは金属溶融溶接プロセスに適用されており、アーク力の強化、気孔欠陥の低減、結晶粒の微細化などの利点があります。 Congら[76]は、従来の可変極性（VP）と超音波周波数パルス可変極性（UFVPP）TIGアークモードを使用して2024アルミニウム合金を製造し、多孔性を低減し、強度と要素の均一性を改善しました。

WAAM の硬化挙動により、多孔性と粒子の凝集に関する問題が依然として残ります。超音波エネルギーは、音響キャビテーションと流れの効果に基づく従来の溶接プロセスで使用されてきました。近年、関係する学者らは超音波支援（UA）積層造形に関する研究を行ってきました。王ら[50]は超音波プローブを局所溶融池に直接浸漬し、堆積アークの後ろを追跡することで、7075とTiB2のナノ複合材料をうまく作製した。結果は、UA の影響下では、多孔性が低く、凝固構造が細かく、ナノ粒子の凝集と分散が少ないことを示しました。その後、Wang et al。熱線と超音波の相乗効果の下で、気孔率が低いナノ粒子、より均一な分布、およびより強い機械的特性が得られました。

エネルギー場の導入を導入して穀物の洗練を支援するなどの強化方法と比較して、穀物の洗練を支援し、微粒子の組成を改善するための微量元素を追加し、溶質要素を強制的に再分配し、作業硬化と熱処理を通じて強化フェーズの沈殿を促進し、セラミック粒子を異質な核grainのgrain剤のgraintion grains exegimeage as a grains grains grains grains grains grains grains grains grains grains grains grains grains grains grains grains allimes allimesを追加することを強制するように強制します。現在、研究者は粒子強化WAAM 78-86］に関する多くの研究を実施しており、セラミック粒子は主にチック、スズ、およびTIB2です。表1 [50、77-86]は、高強度アルミニウム合金の特性に対する異なる補強粒子の効果を示しています。 Fu et al。 Al-cu合金Waamの柱状結晶や粒界境界分離などの欠陥を排除するために、Jin Peng et alは、2219アルミニウム合金の強化方法を提案しました。

表1
WAAMのエネルギー入力は濃縮されていないため、エネルギーの一部は以前に堆積した層を介して基質に散逸します。一方では、熱の蓄積は溶融プールの凝固速度を遅くするだけでなく、予想よりも溶接速度を広げ、幾何学的精度、材料の利用、生産性に深刻な影響を与えます。一方、降水量が強化された高強度のアルミニウム合金の場合、凝固範囲は広く、固化亀裂に対する冷却速度の感度は非常に重要です。一方、動的降水プロセスを促進するには、層間温度が重要です。したがって、Geng et al。 Li et al。ドンら[93]は、層間温度を制御することにより、WAAMプロセスの微細構造と層間温度の複雑な関係を研究しました。非常に限られています。

3.4複合添加剤製造方法

添加剤の製造と従来の製造プロセスの欠点とプロセスの制限を克服するために、産業と学界は製造プロセスに対するハイブリッドアプローチを開発しました。国際生産工学アカデミー（CIRP）の定義によれば、複合製造プロセスは、プロセスパフォーマンスに大きな影響を与えるプロセスメカニズム/エネルギー/ツールの同時かつ制御された相互作用に基づいています[94]。近年、追加のプロセスが他の生産方法と組み合わせて使用され、最終パートの必要な材料特性、設計、および寸法許容範囲を実現しています[95]。現在、研究者は、主に中間層のコールドローリング、機械的ハンマー、摩擦攪拌加工（FSP）、粉砕を含む、高強度アルミニウム合金のハイブリッド添加剤製造プロセス（ハイブリッドAM）を研究しています。典型的な層間層複合添加剤製造方法を図6 [40、52-53]に示します。

図6
各堆積層の前の転がりは、残留応力と変形を減らすことが示されています[51]。同時に、ローリングプロセスは高密度の脱臼を生成します。これは、原子水素吸収の優先部位[96]および水素拡散誘導の優先部位として作用し、表面への拡散を可能にし、それにより、インターレイヤーのコールドローリングが行われると成分に存在する多孔性を減らしたり、排除したりできます。 Gu et al。 Hönnigeetal。

層間のハンマーは、近年提案されているもう1つの新しい複合技術です。これは、より大きな連続的な圧力を提供するために重機を組み合わせる必要はありませんが、瞬間的な衝撃力は、高層型を越えた構造的なコンポーネントを持つ構造的な成分に適しています。 Fang et al。さらに、レーザーショットのピーニングや超音波への衝撃などの層間治療は、鋼やチタンなどの金属に適用されていますが、高強度のアルミニウム合金添加剤製造ではまだ実践されていません。改善する必要があるのは、超音波の浸透深度によって制限されていることです。

添加剤の製造プロセスに層状塑性変形を導入すると、転位密度を高めながら穀物を改良することで、成分の性能が向上します。現在、摩擦攪拌処理（FSP）および摩擦攪拌堆積添加剤（AFSD）は、材料の修正と材料の製造において重要な結果を達成しました。したがって、FSPとWAAMの革新的な組み合わせには、独自の利点があります。 Wei et al。その後、同じ研究グループが同じ方法を使用してAl-Zn-Mg-Cuを準備し、SZ領域は最大504 MPaの引張強度を示しました。 Yuan et al。表2 [36、40、49-50、52-53、68、75-77、83、97-102]は、微細構造と特性に対する層間複合材添加剤製造技術の影響をまとめたものです。層間にプラスチック変形を導入すると、高強度アルミニウム合金の調製のための新しい開発方向が得られることがわかります。
表2
3将来の開発動向<br /> 過去20年間、WAAMは多くの工業分野で複雑な部品の製造に広く使用されてきました。ただし、高強度のアルミニウム合金における添加剤の製造プロセスの適用性は依然として非常に限られています。多くの研究作業は、長年にわたってこれらの欠陥を最小限に抑えるか排除することに専念していますが、WAAMコンポーネントの形状を改善し、高強度アルミニウム合金のアプリケーション範囲を拡大することに専念しています。

（1）WAAM高強度アルミニウム合金包括的な評価システム。現在の研究は、主に欠陥を減らし、航空宇宙のより高い安全要件を提案していますこの分野での研究。

（2）高強度アルミニウム合金組成の設計とWAAM用のワイヤ材料の開発。特定のWAAMコンポーネントには、最終使用を満たすために特定の特性が必要であり、プロパティマイクロ構造合金組成は密接にリンクされています。 WAAMは高温融解サイクルを意味し、アルミニウム合金の揮発性要素はしばしばひどく失われ、微小合金要素の添加は、高強度アルミニウム合金の強度と腐食抵抗を改善するために重要です。要素揮発の問題は、「過度の合金化」戦略によって解決され、ナノセラミック粒子複合アルミニウム合金ワイヤは、層間添加プロセスを相乗効果の低下に置き換えます。 WAAM用のカスタマイズされたWAAM材料と粒子強化複合溶接ワイヤは、将来の添加剤産業環境の開発において高く評価されます。

（3）WAAM高強度アルミニウム合金熱処理システム。 WAAMの層ごとの熱入力は、不均一な老化を伴うコンポーネントを形成し、下層はしばしば過剰な状態にあります。したがって、均一に分布した微細構造を探すために、特徴的な特性を改善するためにカスタマイズされた熱処理が適切です。同時に、合金化元素、ナノ核粒子粒子、および層間変形治療の効果を考慮し、アーク熱の自己老化や熱処理の変形などの要因を完全に考慮し、効率的で低コストの熱処理システムを開発する必要があります。

（4）複合添加剤製造技術の相乗効果。複合添加剤の製造プロセスは現在、探索的段階にのみあり、複数の個別の操作を単一エリア処理のために新しいデバイスに統合することは非常に困難です。同時に、微細構造と性能の進化メカニズムと複合添加プロセスにおけるプラスチック変形の影響メカニズムはめったに報告されず、それらの本質的な作用メカニズムと影響節は依然として不明です。したがって、複合添加剤の製造技術の調整された最適化と、熱間型のような特性間の構成的関係をさらに調査する必要があります。

出典：Wang Shuwen、Chen Shujun、Zhao Qiyue、et al。

Wang Shuwen、Chen Shujun、Zha0 Qiyue、et al。

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

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