超高速レーザー溶融走査速度がAl-Mg-Sc高強度アルミニウム合金の特性に与える影響

出典: Journal of Aeronautical Materials 著者: Wen Pin

21 世紀以降、高速鉄道や航空宇宙技術の急速な発展に伴い、高強度アルミニウム合金部品は徐々に大規模、統合、複雑な方向へと発展してきました。従来のアルミニウム合金の製造方法には、処理サイクルが長い、コストが高い、欠陥が発生しやすいなどの問題があります。レーザー溶融堆積技術は積層造形プロセスの一種として、準備サイクルが短く、コストが低く、成形品質が高いという利点があり、高強度アルミニウム合金部品を製造する重要な手段の 1 つとなっています。従来のレーザー溶融堆積技術では、レーザービームを使用して基板の表面に溶融池を形成し、粉末が溶融池に入ると溶融します。超高速レーザー溶融堆積法では、粉末はレーザー加熱により溶融池上で溶融し、溶融池内では少量の粉末のみが溶融します。

現在、超高速レーザー溶融堆積法は主に鋼材や耐熱合金などの部品の表面クラッディングに使用されており、Al-Mg-Sc高強度アルミニウム合金の成形や製造にはほとんど使用されていません。その欠陥特性、微細構造、機械的性質はまだ明らかにされていません。既存の積層造形技術の堆積効率が低いという問題に対応して、本研究では、超高速レーザー溶融堆積技術を使用してAl-Mg-Sc高強度アルミニウム合金の積層造形を研究し、堆積した微細構造と機械的特性の特性を調査し、スキャン速度が微細構造、欠陥、機械的特性に与える影響を分析し、ESCAAS数値シミュレーションソフトウェアの熱機械強結合ラグランジュメッシュレス法を使用して成形プロセスをシミュレートします。実際の粉末特性（サイズ、形状など）を入力として使用し、粉末粒子とマトリックスの温度、位相、形状の変化を詳細に説明します。

論文リンク: https://jam.biam.ac.cn/CN/10.11868/j.issn.1005-5053.2023.000098

研究内容 図1（c）はレーザー溶融堆積の原理を示しています。基板をノズルの下に置き、合金粉末原料をレーザー照射下で溶融して溶融池を形成し、超高強度アルミニウム合金を得ます。研削、研磨、切断後、図2（a）に示すように、実験に使用する標準試験サンプルが得られます。合金粉末原料の化学組成はAl-5Mg-0.5Sc-0.9Mn-0.35Zr-Si-0.6Ti-0.5Cu-0.25Cr（質量分率％）であり、その粉末粒度分布を図1（a）に示す。
図1 原料粉末の走査型電子顕微鏡写真（a）粉末粒度分布、（b）超高速レーザー溶融堆積の模式図、（c）レーザー溶融堆積の原理図。
図2 引張試験片（a）サンプル写真、（b）サンプルサイズ。
作製したサンプルを引張試験にかけ、ビデオ伸び計で変位を記録した。同時にクロスビーム荷重を記録して荷重-変位曲線を取得し、図3に示すように応力-ひずみ曲線をプロットした。

図3 異なるスキャン速度でAl-Mg-Sc合金を超高速レーザー溶融堆積して形成したサンプルの応力-ひずみ曲線。
図4は超高速レーザー溶融積層造形法で製造されたAl-Mg-Sc合金サンプルの走査型電子顕微鏡写真です。図4からわかるように、サンプルの内部は緻密で、亀裂、介在物、未溶融などの欠陥はありませんが、200μm未満のサイズの気孔が少数存在し、スキャン速度の増加に伴い気孔の数が大幅に減少しています。

図4 異なるスキャン速度（a）0.1 m/s、（b）0.4 m/s、（c）1 m/sで超高速レーザー溶融堆積によって形成されたAl-Mg-Sc合金サンプルの内部気孔。
図5～7は、異なるスキャン速度で形成されたサンプルをEBSD分析して得られたODF画像であり、それぞれφ2=0°、45°、90°のテクスチャセクションが分析用に選択されています。スキャン速度が 0.1 m/s および 0.4 m/s のサンプルには明らかなピークがあり、材料が一定ではあるものの明白ではない異方性を示していることがわかります。一方、スキャン速度が 1 m/s のサンプルには明らかなピークがなく、明白なテクスチャ配向がないことがわかります。

図5 走査速度0.1m/sで形成されたサンプルのODF図図6 走査速度0.4m/sで形成されたサンプルのODF図図7 走査速度1m/sで形成されたサンプルのODF図図8 は、レーザー出力が1500W、走査速度が0.1m/sのときのレーザー照射中に時間とともに変化する粒子とマトリックスの変形構成と温度分布を示しています。強力な熱機械結合を備えたラグランジュメッシュレス数値シミュレーション法に基づいて、粉末粒子とマトリックスの温度、相、形状の変化の詳細な記述が得られました。

図8 超高速レーザー溶融堆積シミュレーションにおいてレーザー走査速度が0.1m/sのときの粉末粒子と基板の予測変形形態と温度分布。
異なる時点における熱影響部と結合層の厚さの変化を図 9(a) と (b) に示します。時間が経つにつれて、合計の厚さが増加します。異なるスキャン速度での凝固後の断面図を図 9(c) と (d) に示します。スキャン速度が増加すると、堆積層表面の凹面が大幅に減少します。

図9 異なるスキャン速度でAl-Mg-Sc合金を超高速レーザー溶融堆積法で形成したサンプルの断面図（a）0.4 m/s、0.5 ms、（b）0.4 m/s、2 ms、（c）0.4 m/sで凝固後、（d）1 m/sで凝固後。
図10は、レーザー走査速度の増加とともに高強度アルミニウム合金サンプルの多孔度が減少することを示しています。その理由は、図9（c）と（d）に示されているとおりです。走査速度が速いほど、粉末材料の蓄積が弱まり、層の多孔度が低下します。

図10 超高速レーザー溶融法で作製したAl-Mg-Sc合金サンプルのレーザー走査速度による気孔率の変化
結論は
（１）超高速レーザー溶融堆積アルミニウム合金の微細組織は緻密で、組織は均一な等軸微細粒を呈している。サンプルの機械的性質は走査速度によって変化する。走査速度が高いと、気孔率が低くなるため機械的性質は良好である。このとき、最大引張強度は303MPa、破断伸びは22.5％である。
（2）強結合熱ラグランジュメッシュレス法は、積層造形における粉末溶融相変化過程と溶融池の熱力学的挙動を予測するために用いられる。合金粉末は空気中で収束、衝突、軟化、溶融して空中溶融池を形成し、その後基板上で溶融・固化して堆積層を形成する。走査速度が増加するにつれて、形状は細長くなる傾向があり、流れ場の分布方向は熱源の中心から放射状に外側に向かう。
（３）レーザー走査速度が機械的性質に与える影響に関する数値シミュレーション研究では、レーザー走査速度が速いほど粉末材料の蓄積が減り、コーティングの多孔性が低下し、機械的性質が向上することが示されており、結果は実験結果と一致している。

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