積層造形法に基づく高強度・高靭性合金構造設計の新手法

積層造形法に基づく高強度・高靭性合金構造設計の新手法
出典: 上海科技クリエイティブアーツ

2024年2月9日、上海科技大学創造芸術学院知能製造システム工学センター(CASE)の張振波研究グループは、材料分野の著名な雑誌「Materials Research Letters」に「積層造形による不均質構造の設計:強靭で延性のある鋼への容易な道」と題する研究論文を発表しました。従来の合金の強度と靭性の逆転問題に対応するため、レーザー粉末床溶融結合(LPBF)技術に基づく新しい合金構造設計法を提案し、それを用いて不均質構造のマルテンサイト/フェライト鋼の製造に成功しました。この研究技術は、高性能な構造部品を3Dプリントする実現可能性を検証したものであり、原子力分野で広く活用されることが期待されます。

LPBF は、付加製造技術として、極めて高い温度勾配、極めて速い凝固速度、複雑な熱履歴などの特徴を備えています。複雑な構造の微細構造制御を実現し、新しい構造と優れた特性を持つ合金を製造する可能性を提供します。

研究内容と結果<br /> 最近、知能システム工学センター(CASE)の張振波研究グループは、LPBF技術を利用してマイクロスケール(溶融池スケール)で異種構造を持つ合金を構築するという革新的な合金構築コンセプトを提案し、フェライト/マルテンサイト鋼材料でそれを検証することに成功しました。 LPBFプロセス中に隣接するパスと隣接する層の間に固有の熱処理を利用することで、フェライト/マルテンサイト鋼(T91)で溶融池規模の微細構造の設計と構築が実現され、粗大なδフェライト、微細なマルテンサイト、残留オーステナイトからなるマルチスケールの不均質構造が得られ、優れた機械的特性を示しました。 LPBF が製造した多相異質構造用鋼は、鋳造および鍛造で製造された同様の鋼と比較して、強度 (727.6MPa から 1408.6MPa) と均一伸び (6.2% から 9.3%) の両方で大幅な改善を示しました。

この新しい構造が材料特性にどのように影響するかをより深く理解するために、研究者らは研究チームが開発した in-situ HRDIC (高解像度デジタル画像相関技術) と in-situ EBSD 技術を組み合わせて、荷重時の材料の微視的変形挙動を特徴付けました。結果は、塑性変形中に不均質構造の異なる領域が徐々に変形し、相互作用し、追加の幾何学的に必要な転位(GND)の生成を促進し、合金のひずみ硬化能力を大幅に向上させ、強度を増加させながら合金の靭性を向上させ、強度と靭性の従来の逆転関係を打破することを示しています。

ヘテロ構造合金を構築するための LPBF 技術の試みは、LPBF 技術に基づく微細構造設計が、新しい微細構造と優れた機械的特性を備えた合金を調製するための実行可能な方法であることを示しています。今後、研究チームは、LPBF のプロセス特性をさらに活用し、マルチスケールの in-situ 機械的特性評価方法と組み合わせて、さまざまな合金システムで優れた総合的な機械的特性を備えた新しい構造の設計と構築を検討します。

上海理工大学は、この研究の最初の完成ユニットです。インテリジェント製造システム工学センターの2021年博士課程学生であるXuan Yuが第一著者であり、張振波教授が責任著者です。

論文リンク:
https://doi.org/10.1080/21663831.2024.2314145

図1: LPBF T91鋼の微細組織情報(af)と微細組織形成メカニズムの模式図(g、h)
図 2: LPBF T91 鋼の優れた機械的特性図 3: 引張試験中の LPBF T91 鋼のその場 EBSD 特性図 4: その場 HRDIC によって記録された LPBF T91 の微細構造ひずみの進化


合金、特性、金属

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