積層造形ナノWC/AlSi10Mg合金のin-situ表面改質による強化メカニズム

出典：中国非鉄金属学会誌

新エネルギー車、航空宇宙、ハイエンド機器などの戦略的新興産業が軽量化とインテリジェント化の方向に急速に発展するにつれて、軽量構造部品の「材料-構造-性能の統合」に対する要求はますます高くなっています。高性能アルミニウムベースの構造部品を製造するための選択的レーザー溶融（SLM）付加製造技術の使用は、現在の研究のホットスポットとなっています。既存の研究では、主にナノセラミック粒子をアルミニウム合金マトリックスの強化相として添加し、SLM 成形されたアルミニウムベースの複合材料の総合的な性能を向上させています。周知のとおり、ナノ WC 粒子は優れた耐摩耗性と機械的特性を備えており、鉄ベース、ニッケルベース、コバルトベース、アルミニウムベースの複合材料の強化相としてよく使用されます。本論文では、ナノ WC 粒子を強化相として選択し、AlSi10Mg マトリックスに添加して、選択的レーザー溶融付加製造 (SLM) 技術によって高性能アルミニウムベースのナノ複合材料を製造します。ファンデルワールス力によって引き起こされるナノWC粒子間の自己凝集問題を克服するために、ナノWC複合AlSi10Mgアルミニウム合金粉末を静電自己組織化プロセスで調製しました。必要なサンプルは、最適なSLM形成プロセスで3Dプリントされました。ナノWC添加がAlSi10Mgアルミニウム合金マトリックスの粒子形態、析出相分布、相組成、機械的特性、摩擦および摩耗特性に及ぼす影響を体系的に研究し、その核生成メカニズム、アルミニウムマトリックスの微細構造の進化、および性能調整メカニズムを明らかにしました。

記事のハイライト<br /> SLM法で作製したナノWC/AlSi10Mg材料には、多様なAl−W金属間化合物相が形成されていることが確認された。(002)α(Al)//(104)Al5Wの方位関係により、格子不整合が4.7%と低いAl/Al5Wが良好な整合界面を形成できることが確認された。ナノWC粒子とAl−W相は、柱状結晶の等軸結晶への変態を促進し、微細な等軸結晶構造を得ることができる。

図 1 SLM 形成ナノ WC/AlSi10Mg サンプルのナノ粒子相の HRTEM、EDS および SAED 分析 (a) Al5W 相、(b) Al12W 相、(c) Al4W 相図 1 は、1 wt.% ナノ WC を添加したサンプルで観察された粒状粒子の形態、EDS 元素分析、界面および電子回折スポットパターンを示しています。結果は、粒子が Al5W 相であることを示しています。界面の高解像度写真における界面の両側の面間隔の計算により、α-AlとAl5Wの間にはよく整合したコヒーレント界面があり、界面の結晶学的関係は(002)α(Al)//(104)Al5Wであることが示されています。ナノ粒子ポイントIのC含有量は比較的高く、これはAl5Wが主に分解したナノWC粒子の周囲に形成され成長していることを示しています。注目すべきは、電子回折スポットパターンにも (012)Al5W 相と (022)Al5W 相に対応する明らかな回折リングが現れており、マトリックス構造内に多数の微細ナノ Al5W 粒子が生成されていることをさらに裏付けていることです。 Al5Wとα-Al間のコヒーレント界面を確認するために、式（1）を用いてα-Al（立方晶、Fm-3m空間群）とAl5W（六方晶、P63空間群）間の格子整合を計算した。また、図1(a)および(b)のSAED回折スポットでは、α-Alの回折スポットが検出された。

同時に、図 2 に示すように、第一原理を使用して Al/Al5W 界面のさまざまなパラメータと結晶構造が計算されました。シミュレーションと計算結果の両方から、両者の間に安定したコヒーレント界面を形成できることがわかった。式（1）から、（002）α-Alと（104）Al5Wの格子整合度は4.7％と計算され、これはコヒーレント界面を形成するために必要な最小不整合要件5％を下回っている。これらのシミュレーション結果は、図 1 (a) の高解像度 HRTEM で観察された良好なコヒーレント界面をさらに確認するものでもあります。図1(c)に示すように、EDS元素分析および電子回折スポット分析により、5重量%ナノWCを添加して形成されたサンプル中に観察された多角形ナノ粒子IIIはナノAl4W相であることが確認されました。 Al/Al5Wのコヒーレント界面とは異なり、Al/Al4Wの界面は半コヒーレントです。高解像度HRTEMで界面の両側の面間隔を計算すると、界面の両側の結晶面はそれぞれ(110)Al4Wと(111)α-Alであることが確認されました。この半整合界面が転位形成の原因となる可能性があります。さらに、異なるナノ粒子の電子回折スポットを分析することにより、XRD試験では現れなかったAl12W相も、1重量％ナノWCを添加した形成サンプル中に検出された。その形成も同様の文献で報告されている。その形成の可能な反応式は式（2）に示される。

ここで、δ は格子整合度、α は異なる相の格子定数です。

図2 (002)α-Al/(104)Al5W界面シミュレーション計算図上記の反応式(2)は、凝固プロセス中にナノAl5Wがさらに分解してAl12W相が生成されることを示しています。そのため、ナノWCの添加量を変えたSLM形成サンプルでは、ナノAl12Wはごくわずかしか生成されません。同時に、図2に示すように、ナノ粒子IIのAlおよびC元素含有量は非常に高く、W元素含有量はゼロです。このナノ粒子はAl4C3相である可能性があると推測されます。ただし、含有量が低いため、XRDでは明らかな回折ピークは現れません。
要約すると、SLM 形成レーザー溶融プールの高温下では、添加されたナノ WC 粒子が α-Al マトリックスに部分的に溶解し、アルミニウム合金マトリックスの主元素と反応して一連の Al-W 金属間化合物を形成します。レーザー選択溶融の溶融プールが凝固し始めると、高融点のナノWCおよびAl-W化合物粒子が形成される傾向があります。計算によると、(104)Al5W相と(002)α-Al相の格子不整合は4.7%である。TurnbullとVonnegutの研究結果によると、臨界核形成過冷却(ΔTn)は格子不整合(δ)の変化と正の相関関係にあり、これは式(3)と一致している。ここで、CEは弾性係数、ΔSvは単位体積あたりの相転移エントロピーである。

したがって、Al5W 相と α-Al マトリックス間の良好な整合性のある界面に基づいて、柱状結晶の等軸結晶への変態が促進され、粒の成長が抑制されます。さらに、Mg2Si 相の析出を促進する不均一核形成剤としても機能します。

研究の結論 異なるWC含有量のAlSi10Mg複合粉末を静電自己組織化プロセスによって調製しました。最適なSLM成形プロセス条件下で、1重量%、3重量%、5重量%のナノWC/AlSi10Mg成形試料を調製しました。アルミニウム合金マトリックスへのナノWCの適切な添加量を最適化するために、ナノWC添加が微細構造の進化と性能に及ぼす影響を体系的に研究しました。アルミニウムマトリックス中のナノWC粒子の界面微細構造、微細構造制御、および性能向上メカニズムを予備的に調査しました。格子パラメータから計算された Al5W と α-Al の格子整合度は 4.7% です。Al5W/Al 界面の微細構造特性評価でも、Al5W/Al 間に良好な整合性のある界面があることが確認されています。界面の結晶学的関係は次のとおりです: (002) α-Al//(104) Al5W。 Al5W と α-Al 間のコヒーレントな界面と他のナノ Al-W 中間相の強化効果に基づいて、SLM 形成された AlSi10Mg サンプルの機械的特性、摩擦および摩耗特性が大幅に改善されました。

引用形式
Jiang-long YI、Han-lin LIAO、Cheng CHANG、Xing-chen YAN、Min LIU、Ke-song ZHOU。AlSi10Mg合金におけるナノWCの強化効果とin-situ表面改質アプローチ [J]。中国非鉄金属学会誌、2024、34 (01): 50-64。

研究チーム

劉敏、教授レベルの上級エンジニア、博士課程の指導教員

彼は現在、広東科学院副院長、現代材料表面工学技術国家工程実験室所長、中国材料研究協会事務局長、中国機械工学協会表面工学支部副所長、中国腐食学会高温腐食および保護専門委員会副所長を務めています。 973、863、国際協力、軍産協力など40以上のプロジェクトを主宰、参加し、その研究成果は航空、鉄鋼、包装・印刷、エネルギーなど国民経済分野で広く活用されている。彼は「新世紀国家十万人人材プロジェクト」に選ばれ、国務院から特別政府補助金を受けている。国家科学技術進歩賞で2等賞を1回、省・大臣レベルで1等賞を7回、省・大臣レベルで2等賞を5回受賞。彼は200以上の論文を発表し、50以上の特許を取得しています。主な研究分野は表面工学技術と積層造形技術です。

ヤン・シンチェン博士、准研究員

金属レーザー製造技術の研究に従事。2022年スタンフォード大学世界トップ2%の科学者、中国科学技術協会「若手人材支援プロジェクト」候補者、広東科学院「百人計画」C類人材に選出。中国非鉄金属産業の科学技術進歩で二等賞を1回受賞。現在、中国表面工学協会会員、広東機械工学学会付加製造支部会長、広東付加製造協会副会長、広東大湾区レーザー・付加製造産業技術革新連盟副秘書長、広東省重点研究開発計画プロジェクトおよび自然科学基金審査専門家。バイオメディカル金属積層造形におけるバイオニック多孔質構造の設計原理、形状と特性の制御のための新しい方法とメカニズム、革新的なバイオメディカルアプリケーションにおいて、一連の革新的な成果が達成されました。Additive ManufacturingやMaterials Research Lettersなどの国内外の権威あるジャーナルに80以上の学術論文が掲載され、引用数は合計2,300件を超え、H指数は27です。また、2冊の書籍も編集されました。書籍の裏付け資料は付録3に示されています。合計34件の国内特許、1件のPCT特許、1件の米国発明特許を出願しており、そのうち7件の国内発明特許は第一発明者として認可されています。

論文リンク: http://www.ysxbcn.com/paper/paperview.aspx?id=paper_1051214

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