積層造形法で製造したオーステナイト系ステンレス鋼のセル構造の熱安定性メカニズムに関する研究成果

積層造形法で製造したオーステナイト系ステンレス鋼のセル構造の熱安定性メカニズムに関する研究成果
出典: 上海交通大学材料科学工学部

最近、上海交通大学材料科学工学部塑性成形技術設備研究所の陳軍教授の研究グループの安大勇准教授は、西南交通大学機械航空学院の張旭教授、ドイツのマックス・プランク鉄鋼研究所の持続可能な材料合成研究グループのリーダーである馬燕博士(現在はオランダのデルフト大学助教授)と共同で、積層造形オーステナイト系ステンレス鋼のセル構造の熱安定性メカニズムの研究で重要な進歩を遂げました。関連結果は、「積層造形オーステナイト系ステンレス鋼のセル構造の熱安定性における転位タイプの役割」というタイトルでAdvanced Scienceに掲載されました(https://doi.org/10.1002/advs.202402962)。



レーザー粉末床溶融結合(LPBF)技術は、複雑な金属部品の高精度成形を実現でき、航空宇宙などの分野で重要な製造技術に発展しています。 LPBF で製造される金属材料は、サブミクロン規模の凝固細胞構造を持つことが多く、高密度の転位、ナノ析出相、元素偏析が含まれており、印刷部品の機械的特性に大きな影響を与えます。積層造形された部品は高温環境で使用されることが多いため、印刷された構造の熱安定性が、そのサービス信頼性を決定します。したがって、セル構造の熱安定性に影響を与える主要な要因とその固有のメカニズムを明らかにすることは、積層造形部品の高温性能を評価および改善するために不可欠です。

本論文では、その場電子コントラストイメージング(ECCI)や高解像度電子後方散乱回折(HR-EBSD)などの高度な特性評価技術と3次元離散転位動力学(3D-DDD)シミュレーションを組み合わせて、凝固セル構造におけるさまざまな転位タイプの形成メカニズムと熱安定性への影響を体系的に明らかにします。図 1 に示すように、この研究では、転位セル内の転位のほとんどが統計的貯蔵転位 (SSD) であるため、その方向差は非常に小さい (<0.1°) ことがわかりました。亜結晶粒界 (SGB) は凝固セル境界と一致することが多く、幾何学的に必要な転位 (GND) が多くなります。 HR-EBSD と組み合わせた TEM-EDS の結果は、Cr 元素の偏析を伴う転位セルではらせん転位型が優勢であることを示しています。 Cr元素の明らかな偏析がない転位セルでは、刃状転位が優勢な転位構造が検出されました。上記の結果は、異なる転位タイプがCr元素の偏析に関連していることを示しています。これは、Cr元素の偏析により局所的な積層欠陥エネルギーが減少し、この領域でのらせん転位の安定性が大幅に向上し、最終的にらせん転位が支配的な転位構造が形成されるためです。

図1 セル構造における異なる転位タイプの形成メカニズム 研究チームは、異なる転位タイプがセル構造の熱安定性に与える影響とその内部メカニズムをさらに明らかにしました(図2):らせん転位は転位セル/SGBからの転位のデピンニングを促進し、その結果、移動/消滅能力が高まります。対照的に、刃状転位が支配的な転位構造の移動には転位の協調運動が必要であり、これにより移動速度が大幅に低下し、より高い熱安定性を示します。 SGB の移動中、SGB は隣接する転位を継続的に捕捉するため、SGB のミスオリエンテーションの増加または減少は隣接する転位の符号に依存します。この研究は、凝固細胞構造の熱安定性における転位タイプの重要な役割を強調しています。さらに、研究結果は、局所的な化学組成/積層欠陥エネルギーを調整することで転位の種類を制御する方法についての新たなアイデアも提供します。

図2 転位の種類が亜粒界/転位セルの熱安定性に与える影響

研究チームは、LPBF サンプルの準備における技術サポートを提供してくれた Yunyao Shenwei (江蘇省) に感謝します。上記の研究は、中国国家自然科学基金(52101022、12222209、52101202)および国家重点研究開発計画(2022YFE0196600)の資金提供を受けて行われました。これは、積層造形法で製造されたオーステナイト系ステンレス鋼の凝固細胞構造の進化メカニズム(Materials Research Letters 2024、12(1):42-49)および高強度および靭性メカニズム(International Journal of Plasticity、2023、170:103769)に関するチームの最近の研究のさらなる発展でもあります。

金属、添加剤

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