ニッケル基超合金の積層造形に関する研究の進歩

出典: 材料工学著者: Wei Dongyu

ニッケル基高温合金は、優れた高温特性と耐酸化性を備えており、高温作業環境で使用される航空機エンジンや産業用ガスタービンの部品の製造によく使用されます。付加製造とは、材料を層ごとに積み重ねることで必要な 3 次元構造を構築することを主な特徴とする迅速な製造技術です。その利点は、複雑な構造部品を製造でき、材料を節約でき、小ロットまたはパーソナライズされた製品を生産でき、マルチマテリアルアセンブリを製造でき、ハイエンド製造業の発展に新たな機会をもたらすことです。さらに、積層造形の独特な微細構造は製品の性能を向上させることができ、高温合金の複雑な部品を製造するための主要な方法の 1 つになりつつあります。本論文では、積層造形用のニッケル基高温合金の製造方法、一般的なグレード、微細構造と特性についてレビューし、現在の問題を要約し、将来探求する価値のある研究分野を提案します。

付加製造方法<br /> 3D プリンティングとも呼ばれる付加製造は、レーザービーム、電子ビーム、電気アークなどをエネルギー源として使用し、原材料を高密度のコンポーネントに統合する製造技術です。金属積層造形は、供給システムによって粉末ベッド、粉末供給、ワイヤ供給システムに分けられます。表 1 では、主にさまざまな積層造形方法の基本的なプロセスと利点と欠点を紹介します。

表1 さまざまな積層造形法の比較
付加製造ニッケルベース合金

一般的に使用される付加製造用ニッケル基高温合金

ニッケル基高温合金は、Ni-Cr 二元系をマトリックスとして使用し、固溶強化元素、析出強化元素、粒界強化元素を添加することで強化されます。表2では、IN625、IN718、ハステロイX、CM247LC、IN738LCなど、積層造形で広く使用されているニッケル基高温合金の化学組成を主に紹介しています。そのうち、ハステロイXとIN625は固溶強化型ニッケル基高温合金であり、主に固溶元素の添加と炭化物の形成によって強度を高めています。 IN718は最も広く使用されている析出強化型ニッケル基高温合金であり、全高温合金生産量の35％以上（質量分率、以下同じ）を占めています。その強度は主にγʹとγ″を含む一般的な析出相によって高められています。IN718合金中のAlとTiの総含有量は依然として低く、良好な溶接性と印刷性を示しています。CM247LCとIN738LC合金のアルミニウムチタン含有量は5％を超えており、通常、溶接が困難なニッケル基高温合金と呼ばれています。アルミニウムチタン含有量が高いため、合金中に高体積率のγʹ強化相を形成しやすくなります。

表2 積層造形用の一般的なニッケル基超合金の組成（質量分率/％）
積層造形法で製造されたニッケル基超合金の室温引張特性

表3〜6は、さまざまなニッケル基超合金の室温引張特性を示しています。高温合金の引張特性は多くの要因によって影響を受けると結論付けられます。まず、積層造形されたニッケル基高温合金の引張特性は、ニッケル基高温合金の種類と密接に関係しています。固溶強化型ハステロイXおよびIN625合金の常温引張特性は一般に低く、合金の可塑性は良好です。IN718合金の可塑性はIN625合金ほど良好ではありませんが、適切な積層造形および後処理を施すことで強度をより高いレベルにまで高めることができます。溶接が難しい高温合金CM247LCおよびIN738LCは、γʹ強化相を多く含むため一般に強度が高くなりますが、印刷工程中に割れやすく、可塑性も劣ります。

第二に、高温合金の室温引張特性は加工方法によって影響を受けます。一般に、積層造形された合金の室温引張特性は、従来の鋳造で製造された部品の引張特性よりも高くなります。さまざまな付加製造方法の中で、WAAM 法で製造された合金の強度は低く、鋳造レベルよりも低い場合もあります。PBF 法で製造された合金の常温引張特性はばらつきが大きく、性能が極めて不安定です。一方、DED 法で製造された合金の常温引張特性は WAAM 法よりも高く、常温引張特性のばらつきは PBF 法よりも低くなっています。

最後に、積層造形された高温合金の引張特性は熱処理の影響を受け、異なるタイプの高温合金は熱処理後の引張特性がわずかに異なります。 IN625やHastelly Xなどの固溶強化型ニッケル基耐熱合金の場合、熱処理後、合金の強度は低下しますが、可塑性は増加します。HIP処理後、IN738LC合金の室温引張強度と伸びは向上します。標準熱処理後の印刷CM247LCの降伏強度は、印刷されたCM247LCの降伏強度とそれほど変わりません。HIP処理後、強度はほとんど変化しませんが、延性は向上します。適切な熱処理により、付加的に製造された高温合金は大幅な性能向上を達成できます。

表 3 異なる調製方法による IN625 合金の室温引張特性表 4 異なる調製方法による IN718 合金の室温引張特性表 5 異なる調製方法による Hastelloy X 合金の室温引張特性表 6 異なる調製方法による CM247LC および IN738LC 合金の室温引張特性
問題ニッケル基高温合金の製造には積層造形法が広く利用されていますが、解決すべき問題がまだ多く残っています。

（１）積層造形合金の微細構造と機械的特性は明らかな異方性を示す。積層造形された試料の内部には、<001>方向に沿った明確なテクスチャを持つ柱状結晶構造が形成されます。この独特の微細構造により、合金の機械的特性に異方性が生まれます。

（２）高性能ニッケル基高温合金は印刷性能が悪く、割れ感受性が高い。高性能ニッケル基高温合金の溶接性能の悪さと亀裂感受性の問題は、現在の積層造形が直面している重要な技術的課題のままです。

（３）ニッケル基高温合金の積層造形に関する仕様や基準が不足している。業界標準は最終製品の品質の安定に不可欠ですが、積層造形の分野では包括的かつ統一された標準の欠如が依然として大きな問題となっています。関連する計画と標準を確立することは、積層造形の大規模生産と産業応用を促進するために不可欠です。

今後の研究分野<br /> ニッケル基超合金の付加製造の分野には多くのチャンスがあり、このレビューに基づいて、著者らは調査する価値のあるいくつかの分野を提案しています。ニッケル基超合金の付加製造に関する将来の研究分野には以下が含まれます。

（１）積層造形用ニッケル基高温合金の熱処理

熱処理により冶金的欠陥を減らし、付加製造されたニッケルベースの高温合金の微細構造を調整して材料特性を最適化できます。しかし、現在の熱処理方法のほとんどは伝統的な経験に基づいており、積層造形プロセスの部品に完全には適用できません。ニッケル基高温合金の積層造形に適した熱処理技術を確立することが急務となっています。

（２）積層造形用新規亀裂フリーニッケル基高温合金のカスタマイズと開発

付加製造分野が直面している機会の 1 つは、新しい合金の開発です。現在、積層造形で使用されるニッケルベースの高温合金のほとんどは、主に鋳造や鍛造などの従来の製造方法向けに設計されており、一部の高性能高温合金は積層造形には適していません。高温合金では、複数の元素の間に強い相互作用があります。機械学習、計算材料科学、材料設計ソフトウェア、高スループット手法を総合的に応用することで、高温合金の設計と検証を加速し、合金の設計と最適化のための迅速で低コストかつ信頼性の高いアプローチを提供できます。

（３）複雑構造ニッケル基高温合金添加部品のプロセス・構造・性能関係の探究

ニッケル基超合金の積層造形プロセス、材料の割れ挙動、機械的特性の関係はある程度理解されていますが、これらの関係を、より大きなサイズやより細かいディテール、複雑な構造を持つ実際のエンジニアリング部品に直接適用することは依然として困難です。したがって、付加製造されたニッケル基高温合金部品における微細特徴と大規模な格子構造の制御可能な製造、ならびに複雑な構造工学部品の残留応力の分布と発達、亀裂挙動、および部品サービス性能に関する詳細な研究は、それらの工学的応用を促進するために重要です。

（4）計算とモデリングは、積層造形プロセスにおけるさまざまな問題を解決するために使用されます。

コンピューティング、モデリング、人工知能の技術を積層造形プロセスのあらゆる段階に統合することで、より効率的で正確かつ持続可能な安定した生産を実現できます。人工知能ベースのオンライン監視システムとフィードバックシステムは、リアルタイムのプロセス制御と最適化において重要な役割を果たすことができます。積層造形のコンピューティングおよびモデリング分野では、人工知能、オンライン監視システム、シミュレーションとモデリングの統合にさらに依存することで、この分野の急速な発展がさらに促進されます。

チームについて

朱国梁研究員のチームは、上海交通大学材料科学工学学院凝固科学技術研究所に所属しています。チームは主に金属積層造形技術と耐荷重機能一体型建築材料の研究を行っています。現在、上級教授1名、准上級教授1名、中級人材3名を擁しており、その中にはハイレベル国防人材、若手長江人材、若手支援人材が含まれています。彼らは主導的に、主要な基礎研究プロジェクト、主要な特別プロジェクト、国家自然科学基金、教育部共同基金などのプロジェクトを引き受け、100本以上のSCI論文を発表し、4つの省および大臣賞を受賞しました。

出典：Zhu Guoliang、Luo Hua、He Jian、et al. ニッケル基超合金の積層造形に関する研究の進歩[J]。Materials Engineering、2024、52(2): 1-15

ZHU GL、LUO H、HE J、他「ニッケル基高温合金の積層造形における進歩[J]」。材料工学ジャーナル、2024、52(2): 1-15

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