ヤン・ヨンニアン：ハイエンド機器製造におけるクラッド押出プロセスの応用展望

ヤン・ヨンニアン：ハイエンド機器製造におけるクラッド押出プロセスの応用展望

江蘇省永年レーザー成形技術有限公司の会長、ヤン・ヨンニエン氏は次のように語っています。現在、国内外の重機の重大型高級構造部品は、例外なく、重精錬と重真空鋳造によって得られた重鋼または超重鋼のインゴットを使用し、「開き」、「前鍛造」、「最終鍛造」という、ほぼ2世紀にわたる重自由鍛造プロセスを経ています。

3Dプリント金属レーザークラッディング（LC - レーザークラッディング/EC - 電子ビームクラッディング）技術は、重自由鍛造プロセスとはまったく異なり、偏析のない高品質のブランクを完成させるために使用され、その後、現代の熱間押し出し技術と組み合わせて、高温高圧密閉押し出しにより、高級な重大型構造部品が得られます。金属レーザークラッディングブランクの熱間押し出しと最終成形のこの革新的なプロセスは、クラッディング押し出し（CE - クラッディング押し出し）プロセスと呼ばれます。

CE 高度成形プロセスは、ハイエンド機器の製造に使用され、航空、電力、高速鉄道、海洋、原子力、軍事産業の分野で幅広い応用が期待されています。

1. 背景

21 世紀に入り、ハイエンド機器製造では、原子力、海洋工学、軍事用のハイエンド構造部品など、シェル プラットフォームやチューブ プラットフォームを備えた重く、大きく、複雑なキャビティに対する品質要件と数量要件がますます高まっています。一般鍛造品は売れ行きが悪く、高級鍛造品は品薄で、特に原子力鍛造品は状況が深刻です。今は「核兵器を持つ者は原子力発電所を持つ」時代です。我が国では伝統的な大型自由鍛造設備が過剰ですが、高級鍛造品の問題をうまく解決できません。重鍛造は、重い鋼塊を原料として使います。材料の内部品質を向上させるために、偏析をなくすために「開き」を使います。その結果、材料とエネルギーの無駄が多くなり、鍛造精度が悪くなり、製造サイクルが長くなります。ハイエンド・重荷重成形製造分野では、1トンの部品を加工するのに平均1.5～2トンの鍛造品が必要であり、1トンのゼロ鍛造品には4トンの鋼塊が必要であるため、1トンの部品を加工するのに平均6～8トンの鋼塊が必要となります。米国のウェスティングハウス・エレクトリック社のAP1000規格原子炉の遷移部は重量が17トンで、96トンの鋼塊が必要であり、材料利用率はわずか17％である。原子力ボイラー鍛造用鋼塊（508-Ⅲ鋼）の平均利用率はわずか20％～25％です。チタン合金製の空対空ミサイルの弾頭と弾体の材料利用率はわずか15％です。表1と表2は、原子力用の高級鍛造品の材料利用率が非常に低いことを示しています。もう一つの問題は、重量のある高級鍛造品の成形と製造のサイクルが長すぎることです。重量が8〜10トンの原子力一次回路の主パイプラインには、1年の製造サイクルが必要です。 100万kWのAP1000の建設期間は4年、200万kWのAP1000の建設期間は6年です。大型ハイエンド機器の製造サイクルの長さと材料利用率の低さは、100億～120億人民元を要するAP1000 100万kW原子力発電所の建設に必要な巨額の投資などの要因に相まって影響を及ぼしている。

表1 原子力ハイエンド鍛造品の材料利用率

表2 原子力発電用高級鍛造材料と鋼塊の利用

私の国における高級重機製造の伝統的な技術的ルート。これは重自由鍛造技術をベースとした「7654」ルートであり、溶鋼700トン、インゴット600トン、鋳物500トン、鍛造品400トンの生産能力を持つ技術ルートを国家の総力をあげて構築するものである。長年にわたり、「7654」路線が我が国の重機建設と国防建設に多大な貢献を果たし、我が国の重機製造業の発展を大きく促進してきたことは否定できない。しかし、21世紀に入ってから、原子力、航空、海洋工学が高パラメータ、大容量、高効率、材料節約、省エネ、低排出の方向へ発展するにつれ、その弱点が徐々に露呈し、工学界で真剣に受け止められるようになりました。 「7654」技術ルートは、エネルギー消費量が多く、材料消費量が多く、排出量が多く、効率が低い技術ルートであることが、多くの事実によって証明されています。

「7654」ルートのプロセスは図1に示されています。核心的な問題は、鋼塊の重量が600トンであることです。その重量のため、700トンの溶鋼と巨大な真空鋳造能力が必要です。その重量が600トンであるため、深刻な偏析が発生し、打ち抜きには1万〜2万トンの自由鍛造油圧プレスが必要です。実際、600 トンの鋼塊からは通常 100 ～ 200 個の鍛造品しか生産できません。 600トンの鋼塊は部品の需要ではなく、技術ルートとプロセスの需要であり、これは技術ルート自体の問題によって引き起こされます。開放環境での自由鍛造では、動的再結晶に必要な高強度の応力場を得るために、大容量の塑性変形（大型鋼塊の高温塑性変形）が必要です。以上の要求が、7654号線の現状につながっています。

7654 ルートの本質は「大きいもの対大きいもの」です。部品が大きいほど鋼塊も大きくなり、鋼塊の重量と部品の重量 (100 万 kW の原子力発電所など) の比率はおよそ 6 から 8 の間になります。 「大きなものを使って大きなものを作る」ことで、大量の液体金属が凝固し、深刻な偏析が発生します。また、巨大な鋼塊が開くため、高出力の設備が必要となり、エネルギー、材料、労働時間が大量に無駄になります（図 2 を参照）。


図1 「7654」の技術ルートの概略図

図2「ビッグでビッグを作る」模式図 実際、伝統的な重型鍛造は航空壁パネルやロッドの成形に最も適しており、多方向型鍛造は小さな空洞部品に最適です。 どちらも、エンジニアリングコミュニティを長い間悩ませてきた上記の原子力、海洋、軍事分野の重くて大きなシェルの成形と製造の問題を解決することはできません。 これらの軸対称および準軸対称、大型および超大型の高級シェルの成形と製造タスクは、自由鍛造によってのみ完了できます。
3D プリントによる重層クラッディングプロセスは、上記の問題を解決する扉を開きます。私たちのチームは、金属レーザー 3D プリントの産業化、特に重荷重クラッディング技術の産業化における長年の成果に基づいて、3D プリントの重荷重クラッディング技術と重荷重熱間押し出し技術を組み合わせた革新的な技術ルートを提案しました。これは、高効率、省材料、省エネ、排出削減を実現するハイエンドの重金属成形プロセスおよび設備システムであり、重機製造の新時代を切り開きました。
2. 金属レーザークラッディングプロセス
（1）クラッディングプロセスの紹介 LCDとEBAMクラッディングとは、高エネルギー密度ビーム（レーザービームと電子ビーム）の作用下で材料の表面に生成される冶金プロセスを指します。これは、3Dプリントの原理と組み合わせて層ごとにクラッディング（積層製造）し、それぞれ図1と図2に示すように、LCD-レーザークラッディング堆積プロセスとEBAM-電子ビーム積層製造プロセスを形成します。 LCDノズルでは、レーザービームがレンズによってクラッド部品の表面に集束され、マイクロ溶融池が形成されます。同時に、金属粉末もマイクロ溶融池に送られ、急速に溶融し、溶融池から離れるときに急速に冷却され、クラッドが完了します。このプロセスが連続的に実行され、これがLCDプロセスです。 EBAM プロセスはこれに似ていますが、レーザー ビームが電子ビームに置き換えられ、金属粉末が金属ワイヤに置き換えられます。


図1 LCD回路図と4000W LCDプリントヘッドの外観

図 2 EBAM 原理図 LCD および EBAM プロセスは、金属部品、特に重量部品の成形に使用され、明らかな利点があります。クラッド成形プロセスにより、結果に偏析がないことが自動的に保証され、クラッドによって得られたブランクは合理的な構造と形状を持ち、粗い自由鍛造ではなく、その後の熱間押し出しのニーズに最適に対応できます。詳細な分析は次のとおりです。

A. ク​​ラッド工法では、数十トンから数百トンの真空製錬や真空鋳造システムから得られる重い鋼塊ではなく、小型製錬システムで製造された金属粉末や線材を原料として使用します。これにより、膨大な投資と建設期間が節約され、コストが大幅に削減されます。
B. クラッディング工程で製造されるブランクでも最終構造部品でも、材料利用率は従来の自由鍛造工程の20～30％（原子力構造部品）から50～60％に向上し、貴重な材料を大幅に節約できます。材料を節約することは、エネルギーを節約することを意味します。
C. 分離がない。これは、金属粉末とワイヤを原料として使用する 3D プリントクラッディング プロセスの共通の特徴です。無数の金属粉末を微小溶融池で急速に溶解・凝固させて「組み立て」成形することで、大量の金属溶融物の凝固によって形成される深刻な偏析を根本的に排除し、均一な組成と優れた性能を備えた成形部品を得るための基礎を築きます。偏析がないのでビレット鍛造工程が不要となり、設備、エネルギー、材料を大幅に節約できます。
D. LCD と EBAM は複雑な構造を形成できます。これは、積層造形の最も重要な利点である「柔軟性」です。押し出しプロセスのニーズを満たす合理的な形状のブランクを形成できるため、押し出しプロセスのスムーズな進行が保証されます。図3は、米国Sciaky社がEBAMプロセスを使用して完成させた6m×1.2m×1.2mの大型部品の写真を示し、図4は、米国Lasertec社がLCD技術を使用して完成させた一体型インペラを示しています。


図3 米国シアキー社が完成させた6×1.2×1.2mの部品（下の写真は加工後）


図4 レーザーテックはLCD技術を使用して一体型インペラブレードを完成させます（加工後）
（２）LCDおよびEBAMクラッディングプロセスの固有の欠陥

レーザークラッディングやレーザー溶融技術によって完成された成形部品は、高級構造部品の厳しい機械的特性要件をすべて満たすことはできません。クラッディングプロセスでは、急速な非平衡冷却により、小さく均一な等軸粒子を形成しやすくなりますが、σb（破壊限界）とσs（流動限界）がさまざまな鋳造プロセスの強度を超え、鍛造の強度に近づくか達することが保証されます。しかし、レーザークラッディング成形は依然として液体凝固成形プロセスであり、これは「本質的な欠陥」であり、主に成形部品の可塑性が不十分であることに現れます。主な理由は、熱と機械の結合作用によって金属に塑性流動を生じさせる動的再結晶化プロセスが欠如していることです。動的再結晶のみが、デンドライト、非金属酸化物、閉じた亀裂や空隙を完全に破壊できるだけでなく、粒界を修復することができ、優れた組織と性能を得るための冶金学的および熱力学的基礎を築きます。多数の実験により、LCD 成形プロセスでは、δ (流動限界) ψ (断面収縮率) が鍛造品のレベルに到達できないことが多く、最終的な衝撃靭性 ak に大きな影響が出て、要件を満たすことができないことが証明されています。 LENS 技術を発明した米国のサンディア国立研究所は、さまざまな材料のレーザークラッディングサンプルと鍛造アニーリングサンプルを比較することで、この問題を説明することができます。彼らは 4 セットの実験結果を発表しましたが、そのうち 1 セットの 718 ニッケル合金では、LENS プロセスのデルタ値がわずか 16% で、表 3 に示すように、鍛造アニーリング値の 20% よりもはるかに低い値でした。わが国の華南理工大学の楊勇強教授は、ニッケルクロム合金の加工実験で、レーザー溶融サンプルの伸びがわずか4％で、鍛造の8％レベルをはるかに下回ることを証明しました。当チームによる高温合金のレーザー溶融（SLMプロセス）の実験結果からも、SLMの伸びδと断面収縮ψは高度な熱間押出のレベルに到達できないことが証明されました。

表3 米国サンディア国立研究所のLENS試験結果

3. クラッディング押出プロセス

以上の分析から、自由鍛造を基本とする「7654」技術ルートは、21世紀の重装備製造の要求を満たすことができず、3Dプリントレーザークラッディングプロセスで成形された部品のδとψ、および衝撃靭性akは、重ハイエンド装備製造の要求を安定的に満たすことが難しいことがわかります。しかし、レーザークラッディングプロセスを現代の重熱押し出しプロセスと組み合わせると、後者は前者のδ、ψ、akを大幅に向上させることができ、新しい世界が切り開かれます。

実際、「7654」の「大きいもので大きくする」という技術ルートとは異なり、3Dプリント積層造形の製造メカニズムは「小さいもので大きくする」です。高エネルギービーム（レーザービームまたは電子ビーム）を使用して金属表面（最初に凝固する粒子の表面を含む）に焦点を当て、1400度の高温を発生させ、連続的にクラッディング（溶融）および凝固を行い、無数の小さな（数十ミクロンから数ミリメートル）非分離で均質な粒子を形成し、これらの小さな粒子をリアルタイムで組み立てて、非分離で均質なブランクを形成します。複数のクラッディングノズルを同時にクラッディングすることで、高耐久性ブランクが得られます。つまり、600トンの重い鋼塊は必要なく、600トンの鋼塊を開く必要もなく、事前鍛造も必要ありません。マイクロ液滴凝固アセンブリを使用して、高品質の金属ブランクの成形と製造を完了します。

前述のように、鋳造欠陥を排除するための最良の工学的方法は、動的再結晶を使用することです。つまり、応力場下では、金属が変形するときに再結晶が起こり、それによって粒界の修復、結晶粒の微細化、および欠陥の排除が完了します。この記事では、数千トンから数万トンの押し出し力を持つ押し出しシャフトを使用して、高温のクラッドブランクに直接作用し、400〜600 MPaの球状応力を発生させ、金属に動的再結晶を強制して、δ値とψ値を大幅に増加させ、最終的に理想的なak値を得ることを提案しています。本稿の著者とチームは、先進的な大型熱間押出プロセスと設備技術を駆使し、国内初となる15,000トン/36,000トンの垂直鋼管ビレット/押出システムを完成させ、国家科学技術進歩賞を受賞した。

CE プロセスは、重荷重金属成形のためのまったく新しい革新的なプロセスです。クラッディングと押し出しの両方の利点を備え、先進的な重荷重金属レーザー 3D 印刷と従来の押し出し技術を組み合わせたモデルです。最終製品の強度と可塑性に関して非常に高く安定した機械的特性が確保され、σb、σs、δ、ψ、ak が基準を満たすことが保証されます。図 5 は CE プロセス技術のロードマップです。



図 5 は CE プロセス技術ルートの概略図です。CE 技術は 3D プリントと熱間押し出しを巧みに組み合わせています。
クラッディングプロセスの非偏析（Segregation-free）の利点を活用します - ブランクを開く必要はありません 3Dプリントクラッディングプロセスの柔軟な成形の利点を活用します - 事前鍛造（事前成形）は不要です
熱間押し出しは、成形部品の可塑性を向上させ、成形部品の総合的な機械的特性を確保するために使用されます。
マッキンゼー・グローバル・インスティテュートの新しい調査「経済の未来を推進する12のテクノロジー」では、「あらゆる分野で、企業は同じことを行っている。つまり、利益を最大化するようにこれらすべてのテクノロジーを組み合わせているのだ」と強調している。技術革新による真の経済的利益は、少なくとも短期的には、目を見張るようなアイデアからではなく、成熟しつつある新興技術と何十年も存在してきた従来の技術の巧みな組み合わせから生まれるだろう。》* CE テクノロジーは、このような新興テクノロジーと数十年にわたって存在してきた従来のテクノロジーを巧みに組み合わせた典型的な例です。


図6 改訂7654技術ルートフローチャートの概略図
4. 原子力発電主パイプラインの被覆押出工程の解析

以下では、原子力発電の主パイプライン鍛造品の成形と製造を例に、CE プロセスを分析します。原子力発電の主パイプラインは、原子力発電の一次回路における重要な構造部品です。100 万 kW の原子炉には、8 ～ 12 本の主パイプラインが必要です。主管はAlSI-316Lステンレス鋼で作られており、主管部品の重量は8〜10トンで、市場価格は1個あたり1500万です。主管には2つの非対称管プラットフォームがあります。図7はAP1000主管鍛造ブランクの設計図です（主管部分は曲面構造であり、管曲げ工程は成熟しているため、このプロジェクトでは分析されていません）。チューブ プラットフォームの統合成形は、重鍛造プロセスにとって大きな課題です。


図7 AP1000主管鍛造ブランクの設計図 CE方式の特徴を説明するために、「自由鍛造方式」の成形方法の要点を以下に比較して示します。
（１）「自由鍛造法」
現在、原子力発電製造業界では、固体（内部の穴がない）で直線（曲がっていない）の物理的構造しか形成できません。
原子力発電の主要パイプラインの自由鍛造法は現在、我が国における基本的な成形・製造方法です。完成した主管路は止まり穴（内孔のない中実円筒）となり、パイププラットフォームは図8に示すように、四角形のプラットフォーム本体の鍛造ブランクに成形されます。片側80mmの余裕で計算すると、その重量は約56トンになります。自由鍛造法では、インゴット材料の収量が低くなります。インゴットは鍛造品の重量の2.5倍として計算され、56X2.5=140トン*になります。原子力幹線パイプラインの自由鍛造法では、12,000～15,000トンの自由鍛造油圧プレスが使用され、生産効率が非常に低く、パイプ1本あたりわずか12か月です。明らかに、主管路の「自由鍛造法」の鍛造ブランクは粗く、鍛造品は重く、鍛造工程は長く、その後の加工時間は長く、材料利用率が低い。


図8 自由鍛造法による原子力主パイプラインの鍛造品
（２）原子力発電用主管路の成形・製造のためのCEプロセス
CE プロセスは、原子力発電の主要パイプラインの鍛造を完了するための革新的なプロセスです。 CE工法で成形できる鍛造ブランクは、外径Ф1023mm、内径Ф730mmです。管台部の外径はФ1200mm、重量は26.4トンです。



図9 AP1000主管CEクラッディングブランクと断面
CE工法の主なパイプ成形・製造工程を図10、図11に示します。
まず、3D プリント LCD プロセス - レーザークラッディング プロセスを使用して、押し出し用の中間プリフォームをクラッディングします。プレフォームビレットを完成する最終押し出し用の高品質ビレットです。偏析がなく均質であるという重要な利点に加えて、ネットシェイプ（Net Shaping）の残渣の少ないビレットでもあります。
次に、中間プリフォームを押し出してメインパイプの鍛造ブランクを得る。
次に、主パイプラインの鍛造ブランクを熱間曲げ、切断して、発電所の組み立て用の原子力主パイプライン部品を得ます。



図10 CE方式メインパイプライン成形製造プロセスフローチャート 中間プリフォームの設計と成形製造は、CE方式の重要なステップです。主なポイントは次のとおりです。
① メインパイプラインの 2 つのチューブ プラットフォームは半径方向に非対称であるため、鍛造では成形が困難ですが、LCD では成形が難しくありません。CE 方式では、LCD プロセスを使用して非対称チューブ プラットフォームを形成します。これは、このプロセスの中核となるステップの 1 つです。
② 中間プリフォームの両端は一定の深さを持つ盲穴であり、左の盲穴の深さは右の盲穴の深さよりも大きい。後続の内穴押し出しプロセスのために、止まり穴を準備します。
③中間プリフォームの中央部分は中空ではなく、中実構造になっており（図9）、その後の押出工程に必要な変形（金属の流れ）を残すことを目的としています。適切かつ十分な金属の流れがある場合にのみ、押し出し加熱中の粒成長を防ぎ、良好な動的再結晶を確保できます。
④LCD中間プリフォームは直管であり、図11に示すように、押し出し後も直管である。直管ブランクが完成したら、重鋼管曲げ加工法を使用して曲げ加工し、最終的な鍛造ブランクを得ます（図 12 を参照）。


図11 CE工法による主管成形・製造工程の概略

図12 CE押し出し部品
V. 要約
CE プロセスは、高度な 3D 印刷技術と高度な押し出し技術を巧みに組み合わせたモデルであり、高耐久性のハイエンド製造にとって画期的なものです。

このプロジェクトには 4 つの大きな利点があります。
（１）このプロセスでは重い鋼塊を使用しないため、重い精錬と重い真空鋳造のための一連の重い設備とプロセスが節約されます。この技術ルートでは、さまざまな種類の金属粉末を原料として使用します。この変更により、材料の利用率が大幅に向上し、原材料の輸送と保管のコストが大幅に削減されます。
（２）このプロセスは自由鍛造を使用せず、小型製錬粉末製造システムを使用して粉末を製造する。粉末は微小溶融池で溶融され、急速に凝固して組み立てられ、形状を形成する。成分や不純物の偏析がなく、ブランクなしで強度要件を満たすことができ、事前鍛造は必要なく、形状は最終構造部品の精製ブランクに近くなる。このプロセスにより、重いブランキングおよび事前鍛造設備、費用、時間が大幅に節約されます。
（３）このプロジェクトでは、上記３Ｄプリントされたブランクを半汎用押出ダイで押し出す押出プロセスを用いて最終的に成形する。押し出しプロセスは、レーザークラッディングプロセスによって完成したブランクの可塑性を向上させるための中核的なステップであり、それによって最終構造部品の衝撃靭性と総合的な機械的特性、および品質の安定性と一貫性が向上します。
（4）CE技術は、航空、原子力、海洋工学などの分野における中核部品やコンポーネントの成形・製造などのハイエンド構造部品の分野で、主に材料、エネルギー、労働時間の節約、生産効率の大幅な向上の点で高い競争力を持っています。

著者について: 江蘇省永年レーザー成形技術有限公司の会長であり、清華大学の教授および博士課程の指導者である Yan Yongnian 氏は、40 年以上にわたって材料成形の研究開発に携わっています。清華大学材料成形・製造自動化研究所の初代所長、清華大学バイオ製造研究所の初代所長、江蘇省付加製造委員会の委員長、中国3Dプリント技術産業連盟の主任顧問を務め、中国で最も早く3Dプリント技術の研究開発に従事した専門家の一人。国家科学技術進歩賞で2等賞2回、3等賞1回、省・大臣賞5回、その他数十の賞を受賞。国家自然科学重点基金、国家863計画、企業との水平協力タスクを多数引き受け、完了。ヤン教授率いる研究開発チームは、3Dプリント技術のプロセス、設備、制御において実りある成果を達成しており、そのうち溶融押出成形プロセスの3Dプリント技術は北京で産業化され、国際生産に向けて準備が進められている。江蘇省昆山市に拠点を置く江蘇永年レーザー成形技術有限公司は、主に金属3D印刷設備製品を扱っており、非金属3D印刷設備製品よりも技術的難易度と応用価値が高く、金属粉末を直接溶解、焼結、燃焼させて技術的に複雑な金属部品を作ることができ、金型、航空宇宙、自動車製造分野で広く使用されています。

出典: 3Dプリンティングオンライン


航空、エネルギー、投資、永年レーザー、軍事

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