上海交通大学凝固科学技術研究所：レーザー積層造形に関する現場研究が大きく進歩

上海交通大学材料科学工学部の董安平研究員、熊良華准教授、杜大凡准教授、何林助教授の研究グループは、北京の中国科学院高能率物理研究所の張炳炳准研究員のチームと共同で、レーザー積層造形のシンクロトロン放射インサイチュ研究の分野で重要な進歩を遂げた。関連研究成果は、「インサイチュシンクロトロンX線イメージングによる多層指向性エネルギー堆積積層造形中の気孔形成および発達のダイナミクス：高エントロピーカンター合金のケーススタディ」というタイトルで、国際工作機械製造ジャーナルに掲載された。これは、中国国内のシンクロトロン放射資源のみを使用して発表された、インサイチュ積層造形に関する最初の高レベル論文である。

https://doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2024.104181
本研究では、シンクロトロン高エネルギーX線高速イメージング技術を使用して、伝導モードにおける典型的な高エントロピーカンター合金の多層指向性エネルギー堆積（DED）プロセスに関するその場研究を実施し、3つの新しい細孔形成メカニズムを明らかにし、3つの既知の細孔生成メカニズムを検証しました。同時に、溶融池スケールの流れ場の高時間的および空間的分解能の特性評価に基づいて、マランゴニ流を制御して細孔を排除する新しいメカニズムを提案しました。これらの発見は、高エントロピー合金の付加製造のための重要な実験データを提供し、正確な計算モデルの開発に役立ち、溶融プールのマイクロスケールでの多孔性制御戦略をより深く理解するのに役立ちます。上海交通大学材料科学工学部の博士課程学生である張淑也氏がこの論文の第一著者である。中国科学院高能物理研究所の孫保徳教授、董安平研究員、熊良華准教授、張冰冰准研究員が論文の共同責任著者である。上海交通大学は、この論文の最初の完成機関である。

図 1 レーザー指向性エネルギー堆積積層造形プロセスのシンクロトロン放射その場研究により、溶融池規模での内部気孔形成と進化の新しいメカニズムが、高精度、高時間的および空間的分解能で明らかになりました。
レーザー指向性エネルギー堆積（LDED）積層造形技術は、三次元の複雑な形状や大型部品の高品質な製造を迅速に実現し、調整可能な微細構造や機能傾斜合金を備えた新しい合金を製造できるため、航空宇宙、生物医学、原子力エネルギーの分野で重要な用途があります。しかし、従来の鋳造や溶接プロセスと比較すると、3D プリント製品は通常、多孔性が高く、気孔サイズも大きいため、レーザープリントの一貫性と安定性を確保することが難しく、部品の機械的性能とサービス性能に重大な影響を及ぼします。したがって、高エントロピー合金などの新しい金属を印刷するには、多孔性を低減するプロセスを最適化することが重要です。しかし、伝導モードでの多層 DED プロセスにおけるボイド形成メカニズムの体系的な分析はまだ限られています。溶融池内に形成されたボイドはどのように進化し、溶融フローと相互作用するのでしょうか。これらの基本的な科学的問題は、気孔率を低減または排除するために非常に重要であり、気孔率に対するメルトフローのマルチフィジックスシミュレーションは、マルチパス DED の現場実験研究ではまだ報告されていない高精度の実験データに依存することがよくあります。

図 2 シンクロトロン放射高速イメージングを使用した DED プロセスのその場研究。 (a) 高エネルギー高速X線イメージング技術を使用した粉末供給のリアルタイム監視の概略図。(b) シンクロトロン放射ビームラインのその場特性評価装置の図。
上記の問題と課題に対応するため、研究者らは、シンクロトロン高エネルギーX線高速イメージング技術を使用して、高温の金属溶融物を高い時間的および空間的分解能で貫通し、非常に動的なマイクロスケールでの溶融池と気孔の動的進化をリアルタイムで観察しました。彼らは、伝導モードでの多層DED中のさまざまな合金システム（アルミニウムベース、チタンベース、ニッケルベース合金から高エントロピー合金まで）でのホールの形成と進化をその場で研究し、溶融池での6つのホール生成メカニズムと3つのホール進化メカニズムを解明しました。

図 3 シンクロトロン放射の高速イメージングにより、溶融プールの形態を高い時間的および空間的解像度で特徴付けることができ、定量的データを較正して高忠実度モデルに入力することができます。
この研究では、典型的なカンター高エントロピー合金には独特の逆マランゴニ対流現象があり、これがホールの存続時間を延ばすのに役立つことも判明した。溶融池循環ゾーンでは、穴はレーザー相互作用ゾーンに隣接する溶融池の底に沈み、その後溶融池の尾部に押し出され、凝固前面に接触する前に上方に移動し、溶融池の内部循環に再び入ります。長寿命の穴は通常、溶融池のレーザー相互作用領域と循環領域の隣接位置で合流し、熱毛細管力と浮力の支配下で溶融池表面から逃げて、高温領域に容易に移動します。これらの発見は、高エントロピー合金などの新しい合金システムの DED プロセスパラメータの最適化、信頼性の高い高忠実度計算モデルの開発、溶融池スケールでの欠陥の制御に理論的な指針として重要です。

図4：カンター合金のマルチパスクラッディング後の溶融パスの形態。レーザーエネルギー密度は、マルチパス溶融パスでの内部欠陥の生成、溶融池の表面のうねり、および凝固後の成形品質に重大な影響を与えることがわかります。
図5 シンクロトロン放射その場特性データによる溶融池内の正孔の捕捉と除去挙動の定量分析。上記の関連研究は、中国国家自然科学基金（番号：52201017、52071205）、国家重点研究開発計画（プロジェクト番号：J2019-VI-0004-0117）、国家重点科学技術プロジェクト（プロジェクト番号：2021YFB3703400）、上海浦江人材計画（22PJ1408000）、中国科学院高エネルギー物理研究所の支援を受けて実施されました。

上海交通大学凝固科学技術研究所は、高性能金属材料の高度な製造と凝固理論の研究、特に高温合金圧力制御鋳造とレーザー付加製造に重点を置いています。国内初の先進的な工業用設備を備え、国内外の一流大学や研究機関と長期的かつ緊密な協力関係を維持しています。近年、国家973計画1件、国家自然科学基金の主要機器プロジェクト2件、一般プロジェクト20件以上、青年基金プロジェクト3件、上海市科学技術委員会、経済情報委員会、教育委員会の科学研究プロジェクトを主宰し、企業から委託されたプロジェクトも多数手掛けている。当チームでは、高温合金圧力制御鋳造、レーザー積層造形、シンクロトロン放射その場特性評価などの分野で博士研究員を募集しています。連絡先: Dong Anping ([email protected])。

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