セラミック強化チタンマトリックス複合材料のレーザー付加製造：微細構造、特性、補助プロセスおよびシミュレーションのレビュー

出典: 溶接科学

チタンマトリックス複合材 (TMC) は、その優れた総合的特性により、航空宇宙やバイオメディカルなどの重要な産業にとって有望な候補となっています。レーザー付加製造（LAM）技術により、チタンベースの材料の製造がより便利かつ効率的になりました。 LAM によって製造された TMC の微細構造と特性は、プロセスや粉末パラメータなどの複数の変数の影響を受けます。複合材料を強化するために、研究者はさまざまな強化材料を試してきました。しかし、欠陥や意図しない微細構造によりパフォーマンスが低下することがよくあります。最近の研究では、LAM と補助的な処理プロセスを組み合わせることで材料特性を向上させる可能性が検討されています。さらに、数値シミュレーションを使用して、TMC の LAM プロセスを最適化し、メカニズムを解明し、予測を行っています。

最近、ハルビン工業大学の江鳳春教授と王建東准教授のチームが「複合材料パートA：応用科学と製造」において最新のレビュー記事「セラミック強化チタンマトリックス複合材料のレーザー付加製造：微細構造、特性、補助プロセス、シミュレーションのレビュー」を発表し、LAM技術で製造されたTMCに関する現在の研究を包括的にレビューし、将来の発展の可能性を強調しました。提案された研究作業を通じて、LAM で製造された TMC の技術開発と実用化が促進される可能性があります。江鳳春教授と王建東准教授が共同責任著者であり、曽玉州博士が第一著者です。

図1. LAM で製造された TMC の概要。
図2. LMDシステムの概略図。
図3. 微細構造形成プロセスの概略図: (a) LMDプロセス、(b1-2) ミクロンTiC/Ti6Al4V複合材料、(c1-2) ナノTiC/Ti6Al4V複合材料、(d1-2) ナノ/マイクロTiC/Ti6Al4V複合材料
結論と展望 要約すると、このレビューでは、チタンマトリックス複合材 (TMC) の基本的な理解と、レーザー付加製造 (LAM) による TMC 製造の最新技術について回顧的に説明します。積層造形技術の産業化が継続的に進むにつれ、材料、プロセス、構造、性能/機能の関係と統合がますます重要視されるようになっています。このレビューでは、さまざまなパラメータとさまざまな種類の強化材料を使用した TMC の微細構造と特性について説明します。研究者らは、LAM が TMC に及ぼす影響要因と作用メカニズムを明らかにするために広範な研究を実施し、プロセスフローを最適化しました。しかし、プロセスと材料の固有の特性により、LAM で製造された TMC には依然としてさまざまな欠陥や問題が残っています。ほとんどの場合、気孔率や亀裂は望ましくないものの、これらを抑制したり、柱状結晶粒やウィドマンシュテッテン構造を適切に調整したりすることは困難です。幸いなことに、熱処理、超音波処理、電磁気処理などの補助処理プロセスがこれらの問題を解決するのに効果的であることが証明されています。さらに、シミュレーション研究は、複雑なマルチスケールの熱力学的進化の挙動を定量的かつ視覚的に深く理解するのに役立ち、この分野の研究を進めるための指針を提供します。

TMC 材料選択 TMC が LAM 分野で炭化チタン、ホウ化チタン、窒化チタンなどのセラミック材料を好む理由は 2 つあります。一方、これらのセラミックは、高い弾性率と硬度、およびチタン合金との良好な適合性により、チタン材料に大きな強化および硬化効果をもたらすことができ、高性能 TMC およびチタン合金の将来の応用シナリオを広げる可能性があります。それにより先進複合材料の開発を促進します。一方、LAM 技術は、高エネルギー密度、高効率、優れた柔軟性、材料の無駄が少ないなどの大きな利点があるため、耐火セラミック強化複合材料を製造するための効果的な方法を提供します。したがって、新しい材料に適応することで、高度な LAM 技術の開発も加速されます。外因性の添加手段に加えて、期待される強化相をその場で生成することもできることは言及する価値があります。これは、TMC の機械的特性を改善するために非常に重要です。したがって、このレビューで言及されているグラフェンナノシートやカーボンナノチューブなどのセラミック粉末の代替材料は、さらに調査する価値があります。さらに、メタン (CH4) または窒素 (N2) とチタン合金の液体プールとの間の気液反応を利用して、ナノスケールのその場 TiC または TiN 強化材を得るという、TMC の付加製造の新しい原理または方法が最近注目されています。予備研究では、このアプローチにより、高い強度と優れた可塑性特性の適切な組み合わせを実現できることが示されています。これは、原料と関連技術の革新が、TMC における従来の LAM プロセスの厄介な問題を解決できる可能性のある貴重な研究方向の 1 つになることを示唆しています。

補助プロセス探索 現在、LAM が製造する TMC は、より優れた総合的な特性を実現するという課題に直面しています。強化粒子は、核形成速度を高め、等軸結晶粒プロセスを促進することで強固な組織と異方性を低減するのに役立ちますが、強度と延性の間の不均衡という新たな問題が発生します。降伏強度や破壊強度が大幅に向上したにもかかわらず、特に強化粒子含有量が多い場合には、変形能力の大幅な低下が現実的かつ解決困難な問題であると考えられています。さらに、気孔、亀裂、望ましくない微細構造の形成により、問題が悪化する可能性があります。一方では、プロセスパラメータを適切に調整し、球形度が高く流動性に優れた粉末を選択し、予熱を実施し、割れ防止剤を添加することが、上記の問題を防ぐ潜在的な方法となる可能性があります。一方、補助プロセスを採用すると、外部エネルギー場を適用することでこれらの問題を改善することもできます。現在、従来の熱処理により、LAM で製造された TMC の改善が著しく進歩しました。ただし、この方法では通常、大型の炉設備、十分な処理時間、正確なプロセス制御が必要となり、研究および生産コストが増加します。これを考慮すると、TMC の総合的な機械的特性を調整するための、より効果的で簡単な方法が緊急に必要とされています。現在、超音波処理（超音波振動、超音波衝撃、超音波圧延など）、表面処理（ショットピーニング）など、多くの新しく高度な補助プロセスが、TMCまたはLAM製チタン合金のin-situ合成に成功裏に適用されています。ショットピーニング、レーザーインパクトピーニング、超音波ピーニング等）、電気パルス等現在、これらの治療技術を用いた TMC の LAM に関する研究はほとんど行われていません。近い将来、これら 2 つの分野を組み合わせてみる価値はあるかもしれません。これは、LAM 製の TMC が直面している課題を克服する効果的な方法を発見するのに役立つ可能性があるからです。

シミュレーション開発 前述のように、さまざまな補助プロセスを TMC の LAM 製造に導入することで、TMC の微細構造と機械的特性をカスタマイズする機会が増える可能性があります。さまざまな技術を組み合わせると、熱場、音響場、磁場、変形場などの複数の物理場の結合という複雑な問題を十分に考慮する必要があります。 TMC の場合、マトリックス材料と強化材料のそれぞれの相進化挙動と強化/靭性化メカニズムにより、研究範囲がさらに広がる可能性があります。さまざまなシミュレーションのアイデア、方法論、計算ツールの開発により、これらの深遠なメカニズムと科学的問題はよりよく解明されるでしょう。

連絡先著者 王建東、男性、1987年11月生まれ、博士号、准教授、材料科学および工学の修士課程の指導者。 2018年7月、ハルビン工程大学材料科学・化学工学学院先端材料成形製造チームに加わった。近年では、Additive Manufacturing、Ceramics International、Journal of Materials Processing Technology、Optics & Laser Technology、China Laserなど国際的に著名なジャーナルに20本以上の論文を発表し、10件以上の発明特許を申請しています。プロジェクトリーダーとして、国家自然科学基金、レーザー積層・積層複合材製造設備・技術基礎研究重点プロジェクト、国家重点研究開発計画「製造技術と重点部品」特別プロジェクトサブタスク「大面積フレキシブル底沈めマイクロナノセンサーの重点技術」、黒龍江省自然科学基金共同指導プロジェクト、中国ポストドクター科学基金一般資金、中央大学基礎研究事業費プロジェクトなど、多くのプロジェクトを担当しています。技術のバックボーンとして、国家重点研究開発計画プロジェクト 2 件、国家重点研究開発計画政府間国際協力プロジェクト 1 件、上海航空宇宙イノベーション基金プロジェクト 1 件に参加しました。 Additive manufacturing、Materials Science & Engineering A、International Journal of Mechanical Sciences、Optics & Laser Technology、Rapid Prototyping Journal、Rare Metal Materials and Engineering、Acta Metallurgica Sinica (English Letters)、China Laser、Chinese Science などのジャーナルの査読者。主な研究方向は、金属および金属マトリックス複合材のレーザー溶融堆積、格子構造および複合材料の選択的レーザー溶融、および複雑な構造部品の付加的および減算的複合製造です。

江鳳春、男性、1963年2月生まれ、工学博士、教授、材料科学博士課程指導者。国家重点研究開発プログラム「付加製造とレーザー製造」プロジェクトの主任専門家。彼は現在、黒龍江省付加製造イノベーションチームのリーダー、ハルビン工程大学の先進材料成形製造チームのリーダー、煙台研究所の先進材料および製造技術チームのリーダー、山東省の「トップ10産業」シンクタンクの最初の専門家の一人、中国機械学会爆発力学専門委員会の委員、科学技術産業局の軍事材料の基礎および応用技術の専門家、中国3Dプリント連盟の理事を務めています。 1987年7月、ハルビン造船工程学院を卒業し、金属材料と熱処理を専攻。1994年4月と2000年4月にハルビン工程大学で力学修士号と固体力学博士号を取得し、同大学で助手、講師、准教授を歴任。 2001年6月から2011年4月まで、米国カリフォルニア大学サンディエゴ校（UCSD）機械・航空宇宙学部に勤務し、博士研究員およびプロジェクト科学者補佐を務めました。2011年4月に中国に戻り、フルタイムで働き、先端材料成形および製造研究チームを設立しました。現在、当部門は主に金属複合材料、付加製造技術および設備の最適化設計と製造を行っており、重荷重付加・減算複合製造技術と設備の分野で研究を行っており、中国初の超音波急速固化成形と付加製造装置を開発し、超音波急速成形と製造技術を利用して、中国で金属積層複合材料と構造、金属中空球複合材料の製造技術の研究をリードしています。これまでに160本以上の学術論文を発表し、30件以上の国家発明特許を申請している。

論文引用
Zeng Y、Wang J、Liu X、他「セラミック強化チタンマトリックス複合材料のレーザー付加製造：微細構造、特性、補助プロセス、シミュレーションのレビュー[J]」複合材料パートA：応用科学および製造、2023：107941。

https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2023.107941

セラミック強化チタンマトリックス複合材料のレーザー付加製造：微細構造、特性、補助プロセスおよびシミュレーションのレビュー

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