昆明理工大学：アーク積層造形法による高強度Al-Cu合金の微細構造、特性、欠陥、後処理技術のレビュー

出典: 積層造形技術フロンティア

2xxx シリーズの高強度 Al-Cu 合金は、高い比強度、優れた加工特性、時効硬化能力により、航空宇宙、軍事、輸送などの業界で広く使用されています。先進的な積層造形技術の一種であるワイヤアーク積層造形（WAAM）は、材料利用率が高く、成形効率が高いという特徴があり、高強度Al-Cu合金の開発と応用に新たな方向性をもたらします。

昆明理工大学の李飛准教授と江青偉准教授のチームは、WAAMのAl-Cu合金の研究の進捗状況を、製造プロセス、凝固組織、一般的な欠陥、機械的特性、後処理プロセスの5つの側面から検討しました。 WAAM の Al-Cu 合金の微細構造と機械的特性を改善する方法について詳細に議論し、現在の研究状況に基づいて将来の開発の見通しを提案します。当該成果は、2023年5月10日にJournal of Materials Engineering and Performanceにオンライン掲載されました。博士課程1年生のFan Siyue氏が論文の筆頭著者であり、Li Fei准教授とJiang Qingwei准教授が論文の共同責任著者です。
https://doi.org/10.1007/s11665-023-08233-5

過去10年間、WAAMは国内外で高強度Al-Cu合金に関する研究を数多く行ってきました。研究内容は主に、（1）WAAMプロセスの最適化による効率と品質の向上、（2）成形部品の微細構造を改善するための新しいワイヤ材料の開発、（3）機械的特性を改善し欠陥を減らすための後処理プロセスの設計などです。

1. 製造工程<br /> 現在利用可能な WAAM プロセスは、主に、非溶融極 WAAM プロセス (GTAW-WAAM)、溶融極 WAAM プロセス (GMAW-WAAM)、ハイブリッド WAAM プロセス (Hybrid-WAAM) に分けられます。

WAAM に基づく非消耗タングステン電極の概略図。
GTAW-WAAM と GMAW-WAAM は堆積効率と材料利用率が高く、高品質の Al-Cu 合金成形部品を製造できます。研究によると、マルチワイヤ WAAM プロセスを使用すると、堆積効率がさらに向上するだけでなく、溶接性の悪い Al-Cu-Mg 合金や Al-Zn-Mg-Cu 合金成形部品も製造できることがわかっています。複数の溶接プロセスを組み合わせることで、レーザーMIGハイブリッド積層造形技術、デュアル電極ガスシールド金属アーク積層造形、摩擦撹拌複合アーク積層造形など、いくつかのハイブリッド製造プロセスも開発されています。これらのプロセスを適用することで、Al-Cu 合金の微細構造を効果的に改善し、機械的特性を高めることができます。

2. 組織の凝固

不均一な凝固構造は WAAM Al-Cu 合金の一般的な現象であり、主に次のように現れます。

（１）堆積高さが低い場合、粒構造は主に層間の微細等軸粒（FQZ）と層内の柱状結晶から構成される。

（２）堆積高さが高い場合、結晶粒組織は主に層間の微細等軸結晶領域と層内の柱状結晶領域および粗大等軸結晶領域から構成される。

この不均一な粒構造分布は、主に WAAM プロセス中の熱サイクルによって支配される熱放散と熱蓄積に関連しています。不均一な微細構造は、主要な合金元素の偏析にも反映されます。この研究では、成形プロセスを最適化し、WAAM への熱入力を減らし、ワイヤ組成を最適化することで、合金の微細構造の不均一性と機械的特性を効果的に改善できることが示されました。

図1 一般的なWAAMによるAl-Cu合金の凝固組織。
3. よくある欠陥

付加製造プロセスにおける欠陥は、微細構造の不均一性、気孔、残留応力、変形などの成形プロセスに関連する欠陥と、微細構造の不均一性、気孔、凝固亀裂などの材料に関連する欠陥の 2 つのカテゴリに分類できます。

（１）不均一な微細構造

これは主に不均一な熱サイクルに関連しており、不均一性の程度は熱サイクルの性質によって異なります。この不均一な微細構造は避けられないように思われますが、添加剤のプロセスパラメータを最適化したり、層間圧延や T6 熱処理などの後処理プロセスを導入したりすることで効果的に改善できます。

（２）毛穴

研究では、ワイヤの表面仕上げが WAAM 構造の多孔性に大きな影響を与え、異なる成形プロセスで製造された Al-Cu 合金部品の多孔性も異なることがわかりました。 T6 熱処理後、合金内の多孔性欠陥は通常悪化しますが、これは主に水素の微細孔析出、相粒子の溶解、および微細孔の成長の複合効果の結果です。
WAAM2319合金の微細孔の3Dビュー

（３）凝固割れ

結晶間に分布する低融点共晶液膜と粗大粒構造により、Al-Cu の亀裂感受性が悪化します。この研究では、マルチワイヤ積層造形プロセスを採用し、ワイヤ内の各元素の組成比を調整し、ワイヤをTiCナノ粒子で改質することで、Al-Cu合金の亀裂感受性を低減できることがわかった。

（４）残留応力と変形

残留応力とは、加工後に成形部品に残る内部応力のことです。残留応力の存在は、成形部品の性能と寸法精度に悪影響を及ぼします。残留応力が材料の降伏強度と引張強度の間にある場合、材料は塑性変形を起こします。残留応力が材料の引張強度を超えると、材料は破損します。残留応力の出現は、WAAM の熱サイクル効果に関連しています。研究によると、レーザーショックピーニングや超音波衝撃処理などの後処理プロセスによって、成形部品内部の残留応力分布を改善できることがわかっています。

4. 後処理

アーク付加プロセスでは、熱処理、層間冷間加工、表面処理が一般的に使用される後処理プロセスです。 WAAM の Al-Cu 合金部品の品質と性能を向上させ、微細構造の不均一性、気孔、残留応力、変形などの欠陥を減らすことができます。

（１）熱処理

微細構造の不均一性を改善し、微細ナノスケール析出物の析出を促進し、合金の機械的特性を向上させます。しかし、熱処理により材料の伸びが低下し、材料内の多孔性欠陥の悪化につながります。

熱処理による準安定相の析出（２）層間冷間加工

層間ハンマー加工や層間圧延などの層間冷間加工プロセスにより、WAAM 成形部品の多孔性欠陥のほとんどを排除し、加工硬化によって材料の機械的特性を向上させることができ、残留応力の制御にも貢献します。

気孔を除去するための冷間加工

（３）表面処理

現在使用されている表面処理プロセスには、レーザーショックピーニングと超音波衝撃処理が含まれます。レーザー衝撃強化により、一定の深さの範囲内で合金の微小硬度を向上させることができ、WAAM 成形部品の上部と中央の残留応力を引張応力から圧縮応力に修正できるため、WAAM 成形部品の疲労耐性が向上します。

5. 展望

（１）ワイヤ中の合金元素は、WAAMのAl-Cu合金成形部品の微細構造と機械的特性に大きな影響を与えます。他の微量合金元素やTiC粒子を添加して特殊なWAAMワイヤを設計・開発することは非常に重要です。

（２）表面処理プロセスによる微細構造の改善と残留応力の除去の利点は、浸透深さ、追加時間、コストによって制限される。対照的に、層間圧延や層間ハンマー加工などの層間冷間加工プロセスは、成形効率を維持しながら WAAM 部品の品質を向上させることができます。したがって、新しい冷間加工プロセスのさらなる探求と、WAAM と冷間加工プロセスの相乗効果は、あらゆる材料の積層造形にとって重要です。

（３）現在の研究は主にT4とT6の熱処理プロセスに焦点を当てています。微細構造と機械的特性をさらに改善するために、他の熱処理プロセスを検討および調査することができます。さらに、熱処理プロセス中の異常な再結晶化によって性能が損なわれるのを防ぐために、層間冷間処理などの特定の処理技術に適した熱処理プロセスを検討する必要があります。

（４）アルミニウム銅合金は主に航空宇宙分野で使用されていることから、複雑な形状の部品の成形を実現するために、アルミニウム銅合金製造とWAAM技術のさらなる組み合わせを推進する必要がある。さらに、ハイブリッド WAAM プロセスは、複雑な形状の部品の製造に適応し、デジタル自動化とロボット支援装置を通じて工業生産にさらに統合され、形状と特性を制御できるようになります。もちろん、その応用分野を拡大するためには、形成経路計画、残留応力除去などについてさらなる研究が必要です。

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