中国南方航空の顧東東のトップマガジン：航空宇宙における高性能金属部品のレーザー積層造形における3つの典型的な材料とアプリケーションの課題

出典: AM-union

航空宇宙は、現在、世界の科学技術大国が競い合う重要な開発方向の一つであり、その発展は、軽量で加工が難しく、高性能な金属部品と切り離すことはできません。レーザー積層造形は、高性能金属部品の設計と製造のための新しいプロセスアプローチを開拓し、航空宇宙などの分野の開発における材料、構造、プロセス、性能、アプリケーションに関する新たな課題に対処することができます。

南京航空航天大学材料科学技術学院の顧東東教授は、「航空宇宙向け高性能金属材料部品のレーザー積層造形」と題する長文のレビュー論文を発表し、航空宇宙分野における3種類の代表的な応用材料と4種類の代表的な構造のレーザー積層造形と航空宇宙応用の進歩を体系的に議論し、材料-構造-プロセス-性能の統合の方向でレーザー積層造形技術を総括し、展望した。

この記事では、航空宇宙分野の積層造形における代表的な応用材料として、アルミニウム、チタン、ニッケル系合金、およびそれらの金属系複合材料の 3 種類を紹介します。代表的な構造としては、大型金属構造、複雑な一体構造、軽量格子構造、多機能バイオニック構造など、4 種類を後ほど紹介します。

アルミニウム合金およびアルミニウムベースの複合材料のレーザー積層造形<br /> アルミニウム合金とアルミニウムベースの複合材料は、特殊な物理的特性（低密度、低レーザー吸収率、高熱伝導性、酸化しやすいなど）によって決まり、レーザー積層造形において加工が難しい典型的な材料です。積層造形技術の観点から見ると、アルミニウム合金は密度が小さく、粉末の流動性が比較的悪いため、SLM 成形粉末床上の粉末の配置の均一性が悪く、または LMD プロセス中の粉末輸送の連続性が悪いという問題があります。そのため、レーザー積層造形装置の粉末配置/粉末供給システムの精度と正確性には高い要求が課せられます。

チタンベース、ニッケルベース、およびその他の材料の SLM および LMD プロセスへの幅広い適用性と比較して、アルミニウムベースの材料のレーザー付加製造の研究とアプリケーション検証は、主に SLM プロセスに集中しています。現在、SLM に基づいて形成されたアルミニウム合金とアルミニウム基複合材料は 10 種類以上あり、そのほとんどは Al-Si シリーズです。鋳造アルミニウム合金の材質特性により、最適化されたプロセスを使用して製造した場合でも、これらの合金の引張強度は 400MPa を超えることが難しく、高いサービス性能要件を持つ航空宇宙の耐荷重部品への使用が制限されています。

△ レーザー積層造形アルミニウム合金およびその複合材料の機械的性質近年、より高い機械的性質を得るために、Al-Cu、Al-Mg、Al-Zn 系も SLM 成形材料として使用されています。しかし、これらのアルミニウム合金は合金元素含有量が高く、冷却および凝固温度範囲が広いため、析出強化型合金はレーザー積層造形中に割れやすく、ひび割れさえ生じやすくなります。アルミニウムと比較して、マグネシウムやリチウムなどの元素は、高エネルギーレーザーの高温下で蒸発しやすく、成形部品の組成安定性と機械的性質に影響を与えます。そのため、高強度アルミニウム合金のレーザー積層造形においては、組成、物理的特性、相変化の設計と制御が特に重要となります。近年、レーザー積層造形専用に、希土類元素スカンジウムで改質・強化したAl-Mg-Sc-Zr合金粉末が設計されました。積層造形後、適切な熱処理プロセスにより、総合的な機械的特性が大幅に向上します（引張強度500MPa以上、伸び率10%以上）。

アルミニウムベースの複合材料の製造は、アルミニウム合金を強化し、強靭化するための重要な方法です。アルミニウム基複合材料は、軽合金とセラミックス、繊維などの強化材の優れた特性を併せ持ち、比強度、比弾性率、体積安定性が高く、耐高温性、耐摩耗性、耐酸化性などの優れた特性と材料設計性を有しています。アルミニウム系複合材料のレーザー積層造形は、材料選択において「多相材料設計可能性」を重視し、積層造形プロセスにおいて「高い制御性」を重視し、使用結果において「高性能・多機能」を強調しており、これも積層造形技術の重要な発展方向を表しています。ナノセラミック強化とインサイチュセラミック強化は、セラミック/金属界面の濡れ性と接着性を効果的に改善し、界面の微細な気孔や亀裂を抑制し、レーザー成形部品の機械的特性を向上させることができます。

チタン合金およびチタンベース複合材料のレーザー積層造形<br /> チタンベースの材料は、その優れた比強度、耐腐食性、生体適合性により、航空宇宙、バイオメディカル、食品、化学産業で広く使用されており、積層造形の分野でも頻繁に使用されています。チタンベース合金のレーザー積層造形における現在の課題は次のとおりです。

1) レーザー積層造形法では、複雑な構造を持つ完全に緻密なチタン系部品を成形することは依然として困難です。成形プロセス中、部品は気孔、亀裂、表面球状化などの加工欠陥が発生しやすくなります。これらの加工欠陥は、断熱せん断帯や亀裂発生源となることが多く、成形部品の機械的特性と使用性能を低下させます。

2) レーザー積層造形時の冷却速度と温度勾配が極めて高いため、マルテンサイト相変態が誘発され、部品内部に大きな残留応力が生じます。加工層数が増えるにつれて、残留応力が徐々に増加し、熱亀裂が形成され、成形部品が反りやすくなります。この加工欠陥がある程度蓄積されると、成形部品に亀裂が生じ、部品の可塑性と靭性が著しく低下します。

3) レーザー加工プロセス中、熱流は主に積層造形方向と平行な方向に伝導され、粗い柱状結晶構造が形成されやすく、部品の微細構造と機械的特性に強い異方性が生じます。

△レーザー積層造形法で製造されたチタンおよびチタン合金の機械的特性チタンベースの材料は、SLM および LMD レーザー積層造形プロセスの両方に高い適用性を示しています。現在、レーザー積層造形で使用されるチタン合金は、主に工業用純チタン（CP-Ti）やTC4などの従来のチタンベースの材料に集中しています。レーザー積層造形部品の微細構造制御は、その機械的特性を向上させる基礎となります。微細構造の進化はプロセスによって制御されます。したがって、高性能部品のレーザー積層造形には、材料、構造、プロセス、性能の統合制御理論と方法を確立する必要があります。公式アカウント「Additive Manufacturing Master and Doctor Alliance」をフォローして、付加製造の研究とエンジニアリングの応用に焦点を当てた大量の付加材料を無料で入手しましょう。

レーザー積層造形プロセス中の溶融池の冷却速度は比較的速く、積層造形方向に沿って大きな温度勾配があるため、チタン合金の凝固組織は柱状結晶構造を示すことが多く、その結果、成形部品の機械的特性に異方性が生じます。チタン合金のレーザー積層造形プロセス中に生成される異方性を改善し、機械的特性を高めるためには、材料設計（合金化など）とプロセス最適化（複合エネルギー場の適用など）という 2 つの側面から改善を行うことができます。

合金化による新しいチタン合金の開発に加えて、セラミック強化チタンベース複合材料を調製することも、チタンベース部品の機械的特性を改善するための重要な手段です。チタンは化学活性が強いため、レーザー積層造形プロセスではチタン成分が他の成分とインサイチュー化学反応を起こしやすく、レーザー成形材料の相と組織を制御することが非常に難しくなります。そのため、チタンベースの複合材料のセラミック強化相の選択には注意が必要です。

ニッケル基高温合金およびその複合材料のレーザー積層造形<br /> ニッケル基高温合金自体には多数の合金元素が含まれており、レーザー積層造形プロセスでは、一般的に、亀裂感受性が高い、元素の偏析が激しい、微細構造の異方性が顕著である、機械的特性の制御性が悪いなどの問題があります。一方、ニッケル基合金中の酸素親和力の強いクロムやアルミニウム元素は、高温下で成形雰囲気中の酸素元素と反応して微細な酸化物介在物を形成しやすいが、酸化物介在物とマトリックス界面の濡れ性が悪いため、亀裂が生じ、機械的性質が低下する。他方、炭素、ニオブ、モリブデンなどの元素は粒界に凝集する傾向があり、低融点共晶相の含有量が大幅に増加し、熱影響部での熱亀裂の形成を悪化させる。さらに、さまざまな種類の粒界析出物がニッケルマトリックス内の強化相形成元素を消費し、レーザー積層造形されたニッケルベースの部品の機械的特性が大幅に低下します。

現在、ニッケル基高温合金のレーザー積層造形は主にインコネルシリーズの合金に集中しており、その中でも析出強化型インコネル718と固溶強化型インコネル625は溶接性が強く、粉末溶融/凝固冶金プロセスに基づくレーザー積層造形プロセスにも適しています。レーザー積層造形法で製造されるニッケル基高温合金の微細構造制御は、主にプロセスパラメータを最適化して溶融池の温度勾配、凝固速度、冷却速度を変更し、その後の熱処理プロセスを組み合わせて粒子の形状、サイズ、析出相の形態、含有量、分布を制御することによって実現されます。さらに、最適化されたレーザースキャン戦略により、粒子の成長組織を変更して、高強度で強靭なニッケルベースの合金材料を得ることもできます。

△ レーザー積層造形法で製造されたニッケル基高温合金およびその複合材料の機械的性質レーザー積層造形法で製造されたニッケル基高温合金は熱処理により強化できますが、材料の靭性がある程度犠牲になります。同時に、後処理では加熱温度、保持時間、冷却媒体、熱間静水圧プレス圧力などのパラメータを適切に制御する必要があり、コストが高く、プロセスが複雑で、欠陥形成の確率が高くなります。高温高圧処理に基づく熱間等方圧プレス (HIP) 技術は、レーザー付加製造されたニッケルベースの高温合金部品の残留多孔性を排除し、亀裂の発生と伝播を抑制し、形成された部品の機械的特性を向上させることができます。

セラミック強化ニッケル基複合材料の製造は、ニッケル基高温合金の機械的特性を改善するためのもう一つの重要な方法であり、これにより、靭性を低下させることなく、複合材料の比強度、比剛性、耐熱性を高めることができます。

概要<br /> 一般的に、アルミニウム合金やチタン合金に代表される軽量高強度合金や、Ni基高温合金に代表される耐荷重耐熱合金は、各国の新素材研究開発計画で開発されている重点材料の一つであり、レーザー積層造形においても重要な応用材料となっています。積層造形材料の研究開発の特徴は、次の 3 点にまとめられます。
新しい高性能材料の開発は、レーザー積層造形部品の機械的特性と応用レベルを向上させるための基本的な保証です。
ナノ複合材料、インサイチュ強化、勾配インターフェース設計は、従来の金属レーザー積層造形の強度と靭性を向上させる効果的な方法です。
レーザー付加製造プロセス制御と技術革新は、金属部品の微細構造と性能を改善するための基本的な手段です。

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