金属レーザー積層造形における内部欠陥と検出方法に関する研究の進展

出典: 第3回航空宇宙積層造形会議優秀論文集の章内容著者部門: 第5航空宇宙アカデミー503研究所著者: Chang Tao、Yang Liming、Wang Hao、Wang Guangyu、Liu Liangtang

はじめに: 欠陥は金属積層造形が直面する大きな課題であり、製造プロセスの成否を直接決定し、積層造形技術の急速な発展を制限します。本稿では、金属レーザー積層造形における内部欠陥と検出方法に焦点を当てます。まず、金属積層造形における一般的な内部欠陥の種類と原因について簡単に説明します。次に、近年の金属レーザー積層造形における内部欠陥検出方法について紹介します。最後に、金属積層造形における内部欠陥検出技術の今後の発展方向について展望します。

金属積層造形技術の登場により、従来の金属部品の加工方式は完全に変わりました。効率的な成形、材料の節約、加工サイクルの短縮などの利点があり、従来の製造プロセスの限界を突破して、複雑な空間構造を持つ部品を生産できます。自動車産業、航空宇宙、医療機器などの分野で深く支持されています。しかし、積層造形技術の成形プロセス中に生成される気孔、未融合材料、亀裂などの欠陥により、産業界における積層造形技術の推進と広範な応用が制限されています。したがって、金属積層造形製品の品質管理、特にオンライン監視は非常に重要です。

本稿の著者らは、国内外の関連研究報告を統合し、金属積層造形における内部欠陥の主な種類と原因をまとめ、内部欠陥の非破壊検出方法を簡単に分析した。

1よくある欠陥とその原因
SLM部品の内部欠陥には、主に気孔、融合不足、亀裂などがある[4, 5]。表1は、関連文献に基づいて各欠陥の特徴と主な影響要因をまとめたものである。以下に、さまざまな内部欠陥の原因を紹介する。

表1 内部欠陥の特徴と主な影響要因
1.1 気孔率気孔率は SLM コンポーネントの主な欠陥タイプであり、図 1 に示すように、SLM コンポーネントの機械的特性に最も大きな影響を与える欠陥の 1 つです。多孔性欠陥が形成される主な状況は3つあります[19]。1つ目は金属粉末に含まれるガス、2つ目は積層造形プロセス中に元の粉末材料に捕捉された不活性保護ガスの形成、3つ目は溶融池での化学反応によって生成されたガスです。多孔性欠陥は球形または準球形で比較的小さく、一般的に20μm未満です[20]。

図1 多孔性欠陥[6]
1.2 融合不良融合不良欠陥は主に層間または溶融池ライン間に発生し、サイズは50〜500μmです。典型的な融合不良欠陥には2つあります[21]。1つは図2(a)に示すように、凝固中の溶融不足によって引き起こされる融合不良であり、もう1つは図2(b)に示すように、溶融していない金属粉末によって引き起こされる融合不良です。酸化されやすい材料AlSi10Mg [14]の場合、SLM成形プロセス中に、残留酸素を含む酸化膜が金属固体表面に生成され、溶融池金属の濡れ性と流動性が低下し、層間融合が不良になり、図3の位置2に示すように未融合穴欠陥が形成されます。表2に示すように、元素の含有率の分析から、未融合穴欠陥の位置2は酸素に富んでおり、この欠陥は層間融合を妨げる可能性のある酸化物層の存在に関連していることを示しています。

図2 SLMチタン合金材料の融合欠陥の欠如[21]
図3 アルミニウム合金の未溶融穴欠陥[14] 表2 欠陥位置の元素含有量分析（％）[14]
1.3 亀裂亀裂は金属積層造形部品の典型的な欠陥の 1 つです。図 4 に示すように、亀裂が存在すると部品の材料特性が大幅に低下し、マクロ的な亀裂、剥離などの現象を引き起こし、準備プロセスの失敗につながる可能性があります。 SLM プロセスでは、局所的に高いレーザーエネルギーを入力すると、金属粉末が急速に溶融し、急速に凝固します。溶融池の冷却速度は108K/s[14]に達し、成形プロセス中に高い温度勾配と高い熱応力が発生します。高い温度勾配と高い熱応力は、製造部品における亀裂の発生と伝播の主な原因です。

図4 ひび割れ欠陥[14]
2内部欠陥検出技術<br /> 従来の製造方法と比較して、SLM 技術で製造された部品は、非常に高い表面品質を実現し、許容差のない制御された処理を実現し、複雑な金属部品の加工の難しさを解決できます。SLM は、最も広く使用されている金属付加製造技術の 1 つです。しかし、離散積層原理に基づくSLMプロセスでは、試料にランダムに現れるさまざまな内部欠陥を無視することはできません。そのため、金属積層造形プロセスの非破壊オンライン監視、さらにはプロセス修復は、積層造形部品の品質を向上させる重要な方法の1つです。現在、金属積層造形部品に使用される内部欠陥のオフライン非破壊検出技術には、主に超音波検出技術とX線検出技術が含まれ、内部欠陥のオンライン非破壊検出技術には、主にレーザー超音波検出と赤外線熱画像検出が含まれます[22, 23]。

2.1 オフライン非破壊検査技術

2.1.1 超音波検査

超音波検査の原理は、主にワークピースとその欠陥間の音響特性の差を利用し、超音波伝播波形の反射と浸透時間のエネルギー変化を利用してワークピースの内部欠陥を検出します。超音波検出信号は通常、図 5 に示すように、A スキャン、B スキャン、C スキャンの形式で表示されます。 SHIら[24]はチタン合金の積層造形部品に対して超音波検査を実施した。検出可能な細孔径は200～660μm、検出可能な未溶融部品のサイズは1～3mmであった。この方法は、図6および図7に示すように、主に気孔や未融合部分などのボディの欠陥を利用します。従来の超音波検査では、カップリング剤を使用してワークピースにエネルギーを入力する必要があり、ワークピースの温度などの要因によって制限されるため、主に製造後のオフライン検査に使用されます。超音波で識別できる欠陥サイズの範囲は波長に関連しており、検出漏れの程度はさまざまです。超音波検査はノイズの影響を受けやすく、欠陥の正確な識別と欠陥の質的分類に影響を与えます。
図5 超音波検査におけるAスキャン、Bスキャン、Cスキャン

2.1.2 放射線検出技術放射線検出は主にX線やガンマ線を用いて行われます。 2 つの光線が検査対象物の異なる部分を透過する際の強度減衰を観察することで、検査対象物の欠陥を検出できます。欠陥は主にグレースケール値のコントラストによって表現されます。 X線検出技術は、複雑な構造や気孔などの欠陥の検出に適しています。検出精度は高いが、検出時間と検出サイズには一定の制限がある[25]。Yang Wei[26]は、工業用CTを使用して円形試験棒の断面を検出し、図8に示すように0.1mmの小さな穴欠陥を検出した。

図8 試験棒のCTスキャン結果[26]
2.2 オンライン非破壊検査技術

2.2.1 レーザー超音波検査レーザー超音波検査法では、パルスレーザー源を使用してサンプル表面に超音波を発生させます。パルスレーザーがサンプル表面に照射されると、高エネルギーパルスレーザーによって入射点の周囲の微小領域が瞬時に加熱されます。熱弾性メカニズムにより、サンプル表面に発生したひずみ場と応力場によって加熱領域が変動し、サンプル内部に超音波が発生します。レーザー干渉計はサンプル表面の超音波振動を受信するために使用される[27]。従来の超音波検査方法と比較して、パルスレーザーによって生成される超音波は、帯域幅が広く、エネルギーが高くなります。さらに、レーザー超音波検査は非接触であるため、SLM プロセスなどの複雑な作業条件下でのオンライン品質監視に適しています。 Yu[27]はレーザー超音波検査技術を金属積層造形試料の内部穴欠陥の検出に適用し、図9と図10に示すように直径0.8mmの穴欠陥を検出することができました。Xu[28]らは、高い表面粗さの金属積層造形部品の欠陥に対するレーザー超音波画像化システムの検出能力を調査しました。結果は、図11と図12に示すように、未処理の粗いSLM部品の場合、システムが直径0.05mmの穴を検出できることを示しました。

図9 積層造形試験片 [28] 図10 試験片のレーザー超音波検査結果 [28]
図11 異なる直径の2列の微細孔欠陥試験片の模式図[27]
図12 細孔欠陥のCスキャン画像結果[27]
2.2.2 赤外線熱画像検出赤外線熱画像は、熱信号に基づく検出方法です。原理は、ワークピースの内部欠陥によって引き起こされる熱伝導の差を利用することです。熱伝導の差は温度分布の差につながります。ワークピースの表面温度場の変化を検出することで、内部欠陥の分布を検出できます。 Dinwiddieら[29]は赤外線カメラを使用して、積層造形プロセス中の多孔性や未融合材料などの欠陥を明らかにしました。また、Garciaら[30]は、図13に示すように、熱画像を使用して積層造形プロセス中の亀裂欠陥を効果的に監視しました。

(a) ひび割れのある放射曲線
(b) ひび割れのない放射曲線図13 欠陥のある場合とない場合の放射曲線 [30]
3 結論 本稿では、金属積層造形における内部欠陥の種類と原因について簡単に紹介し、特に内部欠陥の検出に現在使用されているオフラインおよびオンラインの非破壊検査方法について検討します。この分野における将来の発展のための提案をいくつか紹介します。

（1）積層造形の品質に影響を与える要因は数多くあるが、現在、直接測定できるのは重要なパラメータの一部のみである。特性評価において重要な役割を果たすパラメータの中には、直接取得できないものもまだある。これらは、積層造形プロセスにおける欠陥の発生を理解し、部品成形プロセスを制御するためのリアルタイムフィードバックを提供するオンライン検出システムを設計する上で非常に重要である。

（2）金属積層造形における欠陥の種類は多く、ランダムである。いかにして欠陥の種類を迅速に検出・識別し、プロセスパラメータを適時に調整して積層造形の成形品質を向上させるか。

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