さまざまなレーザー振動による積層造形中の Ti6Al4V の結晶粒微細化と柱状から等軸への変態!

出典: レーザー製造研究

従来の積層造形法では粗い柱状粒子が生成され、積層造形されたチタン合金の機械的特性に影響を与えます。本研究では、直線、円形、8の字、無限形状を含む新しい振動レーザー溶融堆積統合付加製造技術を開発し、Ti6Al4Vの微細構造を修正し、機械的特性を改善しました。結果は、レーザー振動が顕著な結晶粒微細化と柱状から等軸への変態 (CET) を引き起こすことができることを示しています。無限レーザー振動サンプルの元のβ粒径は、シングルパスゾーンでは54.24%減少し、オーバーラップ再溶融ゾーンでは42.55%減少しました。無限レーザー振動サンプルの極限引張強度は、平行方向と垂直方向でそれぞれ 16.95% と 32.37% 増加し、伸びもそれぞれ 83.60% と 13.77% 増加しました。（10-10）と（11-22）結晶面の異方性も大幅に解消されました。同時に、温度変化と熱場の発展が研究され、複雑な振動が流体の流速方向を変え、温度勾配を減らし、等軸粒子の核形成を促進し、異なるレーザー振動の強化メカニズムを明らかにしたことがわかりました。したがって、振動レーザー溶融堆積技術は、積層造形の主要なボトルネックを打破する新しい方法になる可能性があります。

この実験で使用した振動レーザー溶融堆積装置は、図1に示すように、ABBロボット、GW 5M-060HCレーザー、IPG PHOTONICS P30溶接振動ヘッド、およびレーザー振動ヒューズで構成されています。すべての実験は 99.99% Ar ガス環境で実施されました。外部酸素分析装置を使用して印刷チャンバー内の酸素レベルを監視し、プロセス中は 200 ppm 未満に保ち、酸化を防止します。

図 1. 振動レーザー溶融堆積システム: (a) 振動レーザー溶融堆積の概略図と (b) 実験システムのセットアップの写真。
この実験では、Ti6Al4Vマトリックスのサイズは250×250×25 mmであり、粒子サイズが53〜150μmのTi6Al4V粉末が選択された。実験の前に、基板をサンドブラストして表面の酸化物層を除去し、無水エタノールで洗浄してサンプルの純度を確保しました。さまざまな方法の概略図を図 2 に示します。予備的な観察に基づいて、線形、円形、8の字型、無限の4つの振動モードの複雑さが順に研究されました。

図 2. 異なる振動のレーザー溶融堆積の模式図と実験の詳細: (a) 線形、(b) 円形、(c) 8 の字、(d) 無限。
前のデータに従って、表 1 に示すように、レーザー出力 (P)、スキャン速度 (Vs)、送り速度 (Vp)、デフォーカス量など、後続の加工の基本的な加工パラメータが選択されます。ビームサイズは2mmで円形ビームです。予備的な基本プロセスパラメータを選択した後、線形、円形、8の字、無限を含むさまざまなレーザー振動モードをテストし、さまざまな振動周波数 F (150、200、250 Hz) と振動振幅 A (0.5、1、1.5、2 mm) で単一チャネル直交実験を実行しました。金属組織サンプルの作成は、主に前研削および研磨機を使用して行われます。エッチング溶液は、HF:HNO3:H2O の化学比率が 1:2:7、エッチング時間は約 8 ～ 10 秒の典型的なクロール溶液です。金属組織学的分析は、Axio Observer A1m 金属組織顕微鏡を使用して実施しました。電界放出電子銃（JEOL JSM 6500 F）とEDAX/TSL現像システムを備えた走査型電子顕微鏡を使用して、電子後方散乱回折（EBSD）を実施しました。 EBSDサンプルは水平方向から70◦傾斜しました。データ収集と方向調整は、TSL OIM Data Collection 5.4 ソフトウェアと MATLAB Mtex ソフトウェアパッケージを使用して実行されました。図3aに示すように、引張試験片は堆積方向に対して平行および垂直にブロックから機械加工されました。引張試験片の寸法を図3bに示します。引張試験は、引張試験機（Bairoe-5KN、中国）を使用して、引張速度10−3/sで実施した。信頼性を確保するために、各条件下で引張試験を 3 回繰り返しました。 SEM を使用して破壊表面の形態を観察し、破壊のメカニズムを研究しました。

図3. 実験サンプルの概略図：（a）マルチチャンネルサンプルと引張試験領域の電子後方散乱回折（EBSD）分析、（b）機械的特性サンプルの詳細な寸法。
実験観察を検証するために熱流体流動シミュレーションが実行されました。点粒子粉末を想定した振動レーザー溶融堆積構成に計算流体力学（CFD）法を適用した[33]。流体の流れに関する方程式は、質量、運動量、エネルギーの保存の法則から導き出されます。非保守的な形では、

ここで、ρ は密度、u は速度、T は温度、cp は等圧熱容量、p は圧力です。基板と粉末としてTi6Al4Vを使用しました。 Qu は、粘性領域におけるニュートン粘性力とダルシー力を表し、次のように表されます。

ここで、K は粒径に関連する浸透係数、fL は液体分率です。 ν は動粘性、μ は動粘性です。 τij はニュートンのせん断応力を表します。 Gは重力による加速度です。 Fu,surf は、マランゴニ効果と反跳圧力を含む界面表面張力を表します。 QT は熱伝達を表し、フーリエの法則による熱伝導、粘性仕事、相変化の潜熱、放射を含み、次のように表されます。

ここで、λ は熱伝導率、Δh は潜熱です。加熱された金属表面に含まれる放射は、界面識別色関数 |∇φ| の勾配によって識別されます。ここで、σSB はシュテファン・ボルツマン定数、ε は放射率です。レベルセット法と体積保存の流体体積法を組み合わせて、液体と気体の界面を捉えます。レベルセット関数 F は符号付き距離関数であり、F = 0 は界面、F > 0 は液相、F < 0 は気相を表します。その表現は次のとおりです。

ここで、dN/dt は蒸発による表面後退と粉末堆積による表面成長を表します。 F をヘヴィサイド関数 F φ (0 ≤ φ ≤ 1) に変換すると、密度は ρ = (1 − φ)ρG + φρL で与えられます。ここで、ρL と ρG はそれぞれ液体と気体の密度です。堆積した粉末の各粒子のサイズ（53～150 μm）はトラック幅よりもはるかに小さいため、粉末は点粒子であると想定されます。実験と同じ条件で粉末を注入し、質量保存則を満たしながら溶融池のレーザー領域で粒子堆積を局所表面成長に変換した。ラグランジュ粒子追跡を使用して粒子のダイナミクスを決定します。ノズルの位置を適宜移動させることでノズルの振動を再現します。グリッド解像度は 0.09 mm で、溶融池の動きにおける高温流体の流れ場と温度勾配を捉えるのに十分です。ノズルの振動は、ノズルの位置をそれに応じて移動させることによって再現できます。つまり、レーザー中心位置 (xc、yc) の式は次のように表すことができます。

ここで、(x0, y0)は初期中心位置、vはスキャン速度、Aは振動振幅、ωは角速度です。

図 4. 異なる振動でレーザー溶融によって堆積されたマルチチャンネルサンプルのマクロ構造形態: (a) オリジナル、(b) 線形、(c) 円形、(d) 図 8、(e) 無限。赤い線の領域は、単一チャネル領域と重複領域を含む単一チャネル領域を示します。
図 5. 4 つの振動の異なる領域における以前の β 粒子の EBSD 分析と再構成: (a1-d1) 線形、円形、8 の字、無限単一トラック領域における逆極点図 (IPF) 画像。(a2-d2) 線形、円形、8 の字、無限単一トラック領域における再構成後の以前の β 粒子。(a3-d3) 異なる振動の重複領域における逆極点図 (IPF) 画像。(a4-d4) 異なる振動の単一トラック領域における再構成後の以前の β 粒子。
図6. 異なる振動条件下で再構成された以前のβ粒子の平均粒径。左側のエリアが単線エリア、右側のエリアが重複エリアです。エラーバーは平均からの標準偏差を表します。
図7. 異なる振動における高角粒界（HAGB）含有量。左側のエリアが単線エリア、右側のエリアが重複エリアです。
図 8. 異なる振動によるレーザー溶融堆積サンプルの機械的特性: (a) X 方向に沿った異なるレーザー振動の応力-ひずみ曲線。(b) X 方向に沿った異なる振動の UTS と El の比較。 (c) Z方向に沿った異なるレーザー振動の応力-ひずみ曲線。(d) Z方向に沿った異なる振動のUTSとElの比較。エラーバーは平均からの標準偏差を表します。
図 9. 異なるレーザー発振サンプルの破壊形態の走査型電子顕微鏡 (SEM) 画像: (a) オリジナル、(b) 線形、(c) 円形、(d) 8 の字、(e) 無限大。オリジナルサンプルとは、レーザー発振されていない合金を指します。黄色の円は、ディンプル骨折とディンプルを表します。
図10 初期温度、局所温度勾配の方向 − ∇T、局所流速の方向、局所流速の大きさの時間変化曲線。 (a) シミュレーション（t = 0.048 秒）プロファイル、(b) 実験プロファイル、(c) 単一チャネルの安定した速度場、(d) ポイント A における時間変化曲線。
図 11. 異なる t 値 (200 Hz) における基板上 0.2 mm セクションの温度場のさまざまなビュー (t = 3.0 T、3.5 T、4.0 T): (a1-a3) t = 3.0 T、3.5 T、4.0 T での円振動の上面図。 (a4-a6) t = 3.0 T、3.5 T、4.0 T での円振動の平行ビュー。 (b1-b3) t = 3.0 T、3.5 T、4.0 T での無限振動の上面図。 (b4-b6) t = 3.0 T、3.5 T、4.0 T での無限振動の平行ビュー。色は温度 (K) を示し、ベクトルは局所的な温度勾配 -∇T の方向を示します。温度勾配の大きさ (K/m) はベクトルの色によって示されます。スキャン方向は左から右です。
図12。0から5T（200Hz）までの温度の時間変化、局所的な温度勾配の方向−∇T、局所的な流速の方向と局所的な流速の大きさ（a）線形、（b）円形、（c）8の字、（d）無限振動。ノズルの動きが異なるため、最初のヒートショックのタイミングはまったく同じではありません。
図 13。さまざまな振動レーザー溶融堆積の概略図: (a1-d1) 線形、円形、8 の字、無限の相互依存モデルの主要な原理。(a2-d2) 線形、円形、8 の字、無限の微細構造の進化。
図14. 4つの異なるレーザー振動を使用して再構成されたβ相の極点図: (a1-d1) 線形、円形、8の字型、無限の単一トラック領域。(a2-d2) 線形、円形、8の字型、無限の重なり合う領域。
主な結論

（１）レーザー発振を加えると柱状結晶粒はより小さくなり、レーザー発振法が複雑になるほど、結晶粒微細化と柱状結晶から等軸結晶への変態（CET）の効果が顕著になる。無限振動の元のβ粒径は、シングルパスゾーンでは54.24％減少し、オーバーラップ再溶融ゾーンでは42.55％減少します。無限振動する HAGB の含有量は、単一チャネル領域では 80.96% から 87.29% に増加し、重複領域では 79.47% から 89.63% に増加します。

（２）レーザー振動を加えると、材料の機械的性質、特に無限振動が改善され、平行方向と垂直方向の極限引張強度はそれぞれ16.95％と32.37％増加し、伸びもそれぞれ83.60％と13.77％増加した。特に、レーザーの無限振動により、引張強度と延性の良好な組み合わせが実現します。

（３）レーザー発振は（１０−１０）および（１１−２２）集合組織の強度を低下させ、特に無限発振の場合に機械的性質の異方性を排除することができる。

（４）温度変化と熱場の発達について議論する。レーザー振動を追加すると、特に8の字振動と無限振動において、流体の速度振幅が減少し、速度方向が変化します。レーザー振動が複雑になるほど、溶融池内の流れの変化は劇的になります。温度勾配での撹拌作用により、微細かつ等軸の粒子が形成されます。

重要な情報
異なるレーザー振動による積層造形中のTi6Al4Vの結晶粒微細化と柱状結晶から等軸結晶への遷移

https://doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2023.104031

さまざまなレーザー振動による積層造形中の Ti6Al4V の結晶粒微細化と柱状から等軸への変態!

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