北京航空航天大学ジャーナル：新たなアーク添加アルミ合金強化・強靭化戦略！レーザーショックピーニングと熱処理複合材製造

出典: 材料科学と工学

ワイヤアーク指向性エネルギー堆積 (WADED、アーク積層造形法とも呼ばれる) 技術は、大型、中型、低複雑度の金属部品の統合型高速製造に適しています。熱処理や強化が不可能なAl-Mg合金は、航空宇宙、鉄道輸送、造船分野の大型部品の重要な軽量材料です。WADEDを使用して製造されたAl-Mg部品には、多孔性欠陥が頻繁に発生し、組織が粗く、強度が不十分などの問題があり、この技術のエンジニアリングへの応用と推進に重大な制限があります。レーザーショックピーニング（LSP）技術は、大幅な強化効果、高いアクセス性、部品の寸法精度への影響が小さいなどの利点があり、さまざまな材料システムの積層造形部品に使用されます。レーザー衝撃強化によって生じる表面塑性変形により、添加剤成分の表面付近の細孔が閉じられ、微細構造が改良され、明らかな加工硬化が生じ、塑性が低下しながら強度が向上します。

これを基に、北京航空航天大学機械工学・自動化学院の郭偉教授のチームは、レーザー衝撃強化+アニーリング戦略を設計し、LSPを通じてWADEDアルミニウム合金の表面近くの気孔を閉じて加工硬化効果を生み出しました。 LSP によって生成される傾斜構造は、焼鈍処理によってさらに調整され、積層造形されたアルミニウム合金部品の強度と可塑性が向上します。結果は、LSP による塑性変形により、表面近くの気孔が効果的に閉じられ、欠陥のない領域が形成され、表面近くの領域での結晶粒の微細化が促進され、多数の低角粒界 (LAGB) と高密度の転位が生成され、それによって強度が大幅に向上することを示しています。同時に、転位収容能力の低下により塑性が低下します。焼鈍処理中、表面近傍領域で LSP によって生成される高密度の転位と高い貯蔵エネルギーにより、再結晶が加速され、結晶粒の再成長が促進されます。欠陥のない領域と「硬-軟-硬」の傾斜構造が保持される一方で、一部の転位と LAGB が除去され、LSP による加工硬化が弱まり、伸びが大幅に向上します。欠陥のない領域、転位強化、LAGB 強化が強度向上の主な理由です。傾斜機械的特性を持つ表面硬化層と内部軟化層間の相乗変形により、塑性が大幅に向上します。 LSP の硬化効果と焼鈍の軟化効果のバランスをとることで、WADED アルミニウム合金の強度と可塑性を相乗的に向上させることができます。研究結果は、アーク積層造形構造の強度と可塑性の協調的な最適化のための理論的ガイダンスと技術的サポートを提供します。

関連する研究結果は、材料科学と工学の権威あるジャーナル「Journal of Materials Science & Technology」に「レーザーショックピーニングと熱処理のバランスをとることによる指向性エネルギー堆積Al-Mg合金の特性調整」というタイトルで掲載されました。

論文リンク: https://doi.org/10.1016/j.jmst.2024.03.051

図1 WADEDアルミニウム合金レーザー衝撃強化+アニーリングのプロセスフロー：（a）WADED、（b）両面レーザー衝撃強化、（c）アニーリング
LSP によって誘発される塑性変形は、WADED アルミニウム合金の表面近くの気孔の閉鎖を促進し、一定の深さの無欠陥領域を形成します。適切な低温アニール処理後も、無欠陥領域は保持されます。 μCTトモグラフィー技術を用いて、気孔の3次元特性の統計分析を実施しました。その結果、大きなサイズの気孔は層間で凝集する傾向があり、LSPは一定の深さの範囲内で気孔の数を大幅に減らすことができることがわかりました。

図2 レーザー衝撃強化および焼鈍後のWADEDアルミニウム合金の気孔分布特性：（a）表面近傍の気孔特性、強化後に欠陥のない領域が現れる。（bc）LSP前後のサンプルの3次元気孔特性
LSP は結晶粒の微細化を促進し、多数の低角粒界 (LAGB) と超高密度転位構造を誘発します。結晶粒サイズ、LAGB、転位密度は深さ方向に沿って勾配をつけて変化します。 LSP 処理されたサンプルは、焼鈍中に再結晶化と粒粗大化が起こりやすくなり、LAGB と転位密度が大幅に減少します。

図 3 異なる処理条件でのサンプルの EBSD 結果: (ad) 堆積直後、LSP、LSP+アニーリング、堆積直後+アニーリング。(e) 表面からの異なる深さでの小角粒界長さの統計。(f) サンプリング図 4 サンプル表面からの異なる深さでの転位形態: (a) 堆積。(b) LSP サンプル (c) LSP+アニーリング表面から異なる深さでの微小硬度、残留応力、引張特性を調べることで、LSP および LSP+アニーリングサンプルに機械的特性の勾配分布特性があることが明らかになりました。これらのサンプルは、表面硬化層と内部軟化層からなる「硬-軟-硬」の複合構造を持っています。

図5 深さ方向に沿った勾配機械的性質の特性: (a) 硬度分布、(b) 残留応力分布、(c、d) 異なる深さにおける引張特性
LSP サンプルの降伏強度、引張強度、伸びは、それぞれ 194.3MPa (堆積状態より 46% 高い)、350.9MPa (23% 高い)、15.1% (8% 低い) です。焼鈍後、降伏強度（158.3MPa）と引張強度（294.2MPa）は減少し、伸びは大幅に増加しました（27.2％）。

図6 堆積直後、LSP、LSP+アニールサンプルの引張特性：（a、b）引張特性の結果、（c）現在の研究作業の引張特性と一般的な強化方法の比較。欠陥のない領域は、積層造形サンプルの実際の支持面積を増加させ、残留圧縮応力は残留細孔周辺の応力集中を緩和し、亀裂の発生と伝播を阻止することができます。転位の大幅な強化とLAGBの強化により、表面近傍領域に高強度の硬化層が形成され、サンプルの全体的な強度が大幅に向上します。引張変形中の表面硬化層と内部軟化層の協調変形は、サンプルの全体的な転位貯蔵容量の向上に役立ち、それによってサンプルの可塑性が向上します。

図7 LSP+アニーリングプロセスによるWADEDアルミニウム合金の強度向上メカニズムの概略図。明らかな無欠陥領域と微細構造の進化には、サンプル表面の十分な表面塑性変形を確保するために、表面強化のための高出力密度レーザーまたは複数のLSPが必要ですが、同時に加工硬化をもたらし、サンプルの可塑性をある程度低下させます。アニーリング処理により、欠陥のない領域と傾斜微細構造を維持しながら過剰な転位と LAGB が除去され、塑性が回復します。 WADED アルミニウム合金部品の強度と可塑性は、LSP 硬化と焼鈍軟化のバランスをとることで相乗的に向上します。

図 8 バランスのとれた LSP とアニーリングに基づく強度と塑性の相乗的改善戦略引用形式: Dai W、Guo W、Xiao J、et al. レーザーショックピーニングと熱処理のバランスをとることで指向性エネルギー堆積 Al-Mg 合金の特性を調整する、J. Mater. Sci. Technol. 2024、203: 78-96。https://doi.org/10.1016/j.jmst.2024.03.051

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