同軸レーザー溶融ワイヤ積層造形法で製造されたアルミニウム合金の多結晶形態進化メカニズム

著者: Gao Zhuani、Zhan Xiaohong*、Shi Huizi、Li Yifan、Li Xiang、Liu Zhiqiang、Wang Leilei*

最近、南京航空航天大学レーザー溶接・再生研究所の博士課程学生である Gao Zhuani 氏（筆頭著者）、Zhan Xiaohong 教授（責任著者）、および Wang Leilei 研究員（責任著者）は、Wuxi Raycus Laser Team と共同で、材料成形分野のトップジャーナルである Journal of Materials Processing Technology（TOP ジャーナル、IF=6.3）に「同軸ヘッドを使用したワイヤレーザー指向性エネルギー堆積 205 C アルミニウム合金中の柱状から等軸、そして層状結晶粒遷移のメカニズム：数値シミュレーションと実験」と題する研究論文を発表しました。

アルミニウム合金は軽量、高強度、優れた耐食性などの利点があり、航空宇宙製造分野で非常に好まれています。レーザー同軸溶融ワイヤ積層造形（LCWAM）は、ビーム成形技術を使用して、ワイヤを溶融し、堆積材料として層ごとに蓄積します。従来の側軸ワイヤ供給技術と比較して、堆積速度が高く、成形の柔軟性が高く、前進と後退の移動中に成形品質が一定であるなどの利点があります。しかし、同軸線材供給における「光巻き線」という特殊な光線作用形式により、積層プロセスの発熱と熱伝達形式が大きく変化し、アルミニウム合金はレーザーに対する反射率と熱伝導率が強いため、特殊な光線作用形式下におけるアルミニウム合金の結晶成長形態と進化メカニズムが現在不明瞭であり、アルミニウム合金レーザー同軸ヒューズ積層製造の推進と応用に重大な制限を与えています。

図1 レーザー同軸溶融ワイヤ積層造形技術の概略図

研究結果
1) 粒子形態分布

熱入力（107.1 J/mm）および基板予熱温度が低い（160 °C）場合、堆積層の底部に等軸の細粒領域が現れます。入熱量が166.7 J/mm、基板予熱温度が160℃～230℃の場合、堆積層の微細構造は主に上部に層状結晶、中央に等軸結晶、下部に柱状結晶で構成されます。低熱入力 (107.1 J/mm)、高熱入力 (194.4 J/mm)、および高基板予熱温度 (300°C) では、堆積層の上部に層状結晶は現れませんでした。 194.4 J/mm の熱入力下では、堆積層は、底部に柱状結晶、上部に等軸結晶からなる典型的な付加構造特性を示します。

図2 異なる熱入力下での堆積層断面の微細組織特性図3 等軸微細粒とラメラ粒子の形成メカニズム
2) 沈殿相と元素分布

107.1 J/mmの入熱下では、等軸細粒領域に少量のAl2Cu第2相が析出し、析出相の体積分率は13.75%です。 166.7 J/mmの入熱では、ラメラ結晶領域における析出相の含有量は比較的少なく、体積率は6.52%です。堆積層の上部から下部にかけて、より多くの第2相が粒界の近くに析出し、堆積層の下部における析出相の体積率は9.66%です。

図4 異なる熱入力下での堆積層のSEM画像
3) 温度場計算

熱入力が増加すると、386.4°C に対応する両耳等温面の長さは徐々に減少し、幅は徐々に増加し、基板の両側に徐々に近づきます。基板の予熱温度が上昇するにつれて、前部が短く後部が長い半楕円形である357.8℃の等温面の大きさが徐々に大きくなります。予熱温度が230℃に達すると、等温面の形状は両耳形に変わります。基板の予熱温度と入熱が増加すると、堆積層のピーク温度と凝固速度 (R) が増加し、温度勾配 (G) と冷却速度 (G × R) は減少します。入熱量が増加すると堆積物がより強く熱を吸収するようになり、これがピーク温度の上昇の原因となります。

図5 異なるプロセスパラメータ下での堆積プロセスの途中における温度場と等温表面分布
4) 微細構造シミュレーション

入熱量が低い場合（107.1 J/mm）、凝固初期に溶融池の端に低温液体境界層が現れます。高融点金属化合物 Al3Zr は、不均一な核生成粒子として液体境界層内の粒の核生成および成長プロセスに関与し、最終的に溶融池の境界上に等軸の微細粒領域を形成します。その後の溶融プールの凝固中に、CET 変態を通じて堆積層全体の核生成と成長が完了します。さらに、溶融池内では柱状結晶から等軸結晶、さらに層状結晶へと進化するプロセスがあり、柱状結晶と等軸結晶の初期成長段階では同期成長と相互競争が見られ、CET 変態の特徴を備えています。凝固プロセスが進むにつれて、堆積層の上部での高い温度勾配と比較的穏やかな液体対流により、層状結晶の核生成と成長に理想的な環境が提供されます。そのため、堆積層の中央部における等軸結晶の核形成および成長の過程で、層状結晶は堆積層上部の等軸結晶の上に核形成および成長し始め、<110>方向に沿って堆積層上部と平行に成長します。

図6 異なる熱入力下での堆積層の微細構造の実験結果とシミュレーション結果の比較
結論

（１）入熱量が１６６．７Ｊ／ｍｍで基板予熱温度が１６０℃～２３０℃の場合、堆積層は溶融池底部では柱状結晶、中間部と上部では等軸結晶、上部では層状結晶が主となる。層状結晶は主に柱状結晶や等軸結晶の先端部に現れ、多結晶が局所的な熱流方向と平行に成長していることがわかる。熱入力と基板予熱温度が低い場合、堆積層の底部に等軸の細粒領域が現れます。

（２）堆積層上部の層状結晶の平均硬度は等軸結晶の平均硬度よりも高く、堆積層下部の等軸微結晶の平均硬度は柱状結晶の平均硬度よりもわずかに高い。

（３）温度勾配と冷却速度が低下すると、一次デンドライトアームは徐々に粗大化し、一次および二次デンドライト間隔は増加する。シミュレーション結果は、柱状結晶、等軸結晶、層状結晶の間に競合関係があることを示しています。

論文リンク: https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2023.118208

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