中国南方航空のトップジャーナル：航空宇宙における耐荷重アルミニウム合金部品の材料、プロセス、性能を統合したレーザー付加製造

出典：2つのエンジンのパワーが先

アルミニウム合金は航空宇宙の荷重支持部品によく使用され、その高温機械的特性は航空機の飛行安全にとって極めて重要です。粉末床に基づくアルミニウム合金のレーザー積層造形は、この分野で多くの重要な応用を達成しています。したがって、LPBF成形アルミニウム合金の微細構造と高温機械的特性との間のマッピング関係を確立し、合金の微細構造と高温特性の統合制御メカニズムをさらに探求することが急務であり、これは航空宇宙などの分野での使用安全性と安定性を向上させるために重要です。

南京航空航天大学と成都飛機工業（集団）有限公司の顧東東教授のチームは、レーザー積層造形法で製造されたAlSi10Mg部品の常温/高温機械特性を改善する方法に焦点を当て、LPBF成形AlSi10Mg合金の冶金欠陥、微細構造、常温/高温機械特性、疲労特性に対する成形方向の影響を研究し、LPBF成形AlSi10Mg合金の疲労亀裂の伝播メカニズムを明らかにし、LPBF成形AlSi10Mgの総合的な使用性能を改善するための理論的指針を提供しました。当該研究は学術誌「Chinese Laser」に掲載され、表紙記事として掲載されました。

表紙には、アルミニウム合金複合部品とアルミニウム合金標準疲労試験片のレーザー粉末床溶融統合成形プロセスが示されています。レーザー粉末床溶融結合技術は、高性能の複雑なアルミニウム合金部品を短サイクルでネットシェイプ製造するための新しい技術的アプローチを提供します。

レーザー積層造形されたアルミニウム合金部品の室温および高温での機械的特性は、航空宇宙などの分野での使用安定性を向上させるために重要です。この論文では、レーザー粉末床溶融結合法（LPBF）AlSi10Mg部品の機械的特性（室温圧縮性能、高温引張性能、高サイクル疲労性能、室温亀裂成長率など）に対する成形方法の影響を調査します。結果によると、水平に成形された試験片（引張、圧縮、疲労などの荷重が試験片の粉末拡散方向と平行）の方が圧縮特性が優れており、圧縮強度と降伏強度（それぞれ 201.0 MPa と 251.3 MPa）も優れています。高温引張試験では、異なる成形方向の試験片の引張強度と降伏強度は、試験温度（100 ℃から 175 ℃）の上昇とともに低下する傾向を示し、伸びは徐々に増加します。水平に成形された試験片の引張特性は、垂直に成形された試験片（荷重が試験片の粉末拡散方向と垂直）よりも優れています。垂直に成形されたAlSi10Mg合金試験片の107サイクル後の平均疲労強度は151.25MPa、疲労寿命は約2.1×105サイクル、疲労亀裂成長閾値は0.981MPa·m1/2である。

研究チームは、レーザー粉末床溶融技術を通じてAlSi10Mg部品を製造し、成形方向の制御に基づくアルミニウム合金の微細構造の進化が室温/高温の静的特性に与える影響を研究し、レーザー付加製造されたAlSi10Mg部品の疲労などの動的特性を調査し、アルミニウム合金部品の材料、構造、性能を統合したレーザー高性能製造を実現しました。成形方向は、水平成形法（引張、圧縮、疲労等の荷重が試験片の粉末拡散方向と平行）と垂直成形法（荷重が試験片の粉末拡散方向と垂直）を採用した[図1(b)]。 LPBF成形AlSi10Mgの疲労試験片を図1(c)と(d)に示します。

図1 (a) LPBF成形プロセス、(b) 垂直方向、平行方向、粉末拡散方向の試験片成形の概略図、(c) LPBF成形AlSi10Mg柱状試験片、(d) 標準疲労試験片図2 異なる方向に成形された試験片の高温引張特性の柱状チャート。 (a) 100 ℃; (b) 125 ℃; (c) 150 ℃; (d) 175 ℃
図3 垂直に成形された試験片の疲労特性(a) 平滑試験片の疲労SN曲線（R = 0.1、Nf = 107）; (b) 疲労き裂成長速度da/dNと応力拡大係数範囲∆Kの関係曲線主な結論
1) 垂直に成形した試験片の断面には、異なる方向の溶融池の形態が見られます。溶融池は主に楕円形と半円筒形で、溶融池の幅は約 100 μm です。水平に成形した試験片の断面の微細構造を見ると、成形方向に沿った溶融池は典型的な魚鱗の形態をしており、溶融池の深さは 30～80 μm です。異なる方向に形成された柱状試験片の断面における溶融池の境界は比較的明瞭ですが、微細構造はまったく異なります。垂直に形成された柱状試験片の断面は半円筒形の溶融池の形態を示し、水平に形成された柱状試験片の断面は層状構造を示します。これは、溶融池が層ごとに蓄積され、層ごとに溶融するという LPBF プロセスの特性によるものです。

2) 垂直に成形された試験片の圧縮強度は、水平に成形された試験片の圧縮強度よりも低くなります。圧縮過程において、垂直に成形された試験片の亀裂伝播経路は比較的単純であるのに対し、水平に成形された試験片の亀裂伝播経路はより複雑であるため、後者の方が圧縮強度が高くなります。温度と成形方向の両方が、LPBF 成形 AlSi10Mg 合金の引張特性に影響します。温度が上昇すると、すべての試験片の強度は低下傾向を示しますが、伸びは徐々に増加します。水平に成形された試験片の強度は、垂直に成形された試験片の強度よりも高くなります。 LPBF アルミニウム合金の溶融池境界の粗粒特性により、溶融池と層間結合が材料の引張特性に影響を与える最も重要な要因になります。引張試験中、垂直試験片の引張荷重の方向は層間位置に対して垂直であり、溶融池境界の粗粒領域の亀裂は応力の影響を受けて核生成および拡大する可能性が高くなります。一方、水平成形試験片の引張荷重は層間位置に対して平行であり、粗粒領域は亀裂の拡大にあまり影響を与えないため、水平成形試験片の方が引張特性が高くなります。

3) LPBF垂直法で形成されたAlSi10Mg合金サンプルの疲労強度は151.25MPaです。107サイクル後、合金の疲労強度は大幅に低下しています。強度が低下する理由は、疲労性能が穴などの欠陥に敏感であるためです。 LPBF成形したAlSi10Mg合金の疲労寿命は2.1×105サイクル、疲労き裂成長閾値ΔKthは0.981MPa·m1/2である。

概要<br /> 本研究では、レーザー粉末床融合高精度積層造形技術を用いて、異なる成形方向がAlSi10Mg合金の常温/高温静的特性に与える影響を調査し、レーザー積層造形AlSi10Mg部品の疲労性能を体系的に調査し、成形方向制御に基づくアルミニウム合金微細構造の進化が機械的特性に与える影響のメカニズムを明らかにし、レーザー粉末床融合成形AlSi10Mgの疲労性能を最適化し、アルミニウム合金材料、微細構造、特性の高性能製造を実現し、航空宇宙などの分野におけるレーザー積層造形アルミニウム合金の応用に科学的根拠と理論的ガイダンスを提供しました。

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