積層造形法で製造された高エントロピー合金の微細構造と特性

積層造形法で製造された高エントロピー合金の微細構造と特性
出典: Metal World 著者: Le Jin、Zhang Yong

高エントロピー合金は、その優れた機械的特性、耐腐食性、熱安定性により、近年、材料科学の分野で研究のホットスポットとなっています。しかし、従来の製造プロセスでは、不十分な組成均一性、高い亀裂感受性、高コストなどの問題が直面しており、その産業応用は制限されています。積層造形技術は、層ごとの製造、高い設計自由度、急速冷却などの利点を備えており、高エントロピー合金の複雑な構造を製造するための新しいソリューションを提供します。この記事では、高エントロピー合金の分野における積層造形技術の最新の研究の進歩について説明し、選択的レーザー溶融、直接エネルギー堆積、電子ビーム溶融などの技術の微細構造制御と性能最適化への応用に焦点を当てています。調査の結果、さまざまな技術には、組織管理、パフォーマンス向上、適用分野の点でそれぞれの利点がある一方で、亀裂形成、組成分離、残留応力などの共通の課題にも直面していることがわかりました。プロセス最適化戦略とその性能への影響の詳細な分析を通じて、積層造形された高エントロピー合金の微細構造と性能の本質的な関係が明らかになり、新しい合金システムの開発、プロセスパラメータの最適化、製造効率の向上、多機能材料の用途拡大など、将来の開発方向が提案されました。


高エントロピー合金 (HEA) は、ほぼ等しいモル比の複数の金属元素で構成された新しいタイプの合金システムです。高混合エントロピー (構成エントロピー) が相の形成に影響し、高エントロピー合金は脆い金属間化合物ではなく、単純な固溶体構造 (BCC、FCC、HCP など) を形成する傾向があります。このユニークな組織構造により、高エントロピー合金は機械的、化学的、熱的特性において優れた総合的特性を発揮することができ、航空宇宙、エネルギー、海洋工学などの分野で理想的な材料として広く考えられています。同時に、高エントロピー合金のほぼ等モル比は、幅広い組成設計空間を提供し、実際のニーズに応じて合金特性を最適化できます。しかし、従来の製造プロセス（鋳造や鍛造など）では、通常、材料の組成が不均一になり、微細構造の制御が難しく、生産コストが高くなるため、高エントロピー合金の工業的応用が制限されます。このため、高エントロピー合金の効率的な製造技術が緊急に必要とされています。

近年、高エントロピー合金製造の分野では、付加製造（AM）技術が広く注目を集めています。付加製造技術は、コンピュータ支援設計（CAD）に基づく最新の製造プロセスであり、金属粉末または金属ワイヤを使用して層ごとに積み重ねることで3次元構造を構築します。非常に高い設計自由度を発揮するだけでなく、急速冷却プロセスを通じて材料の微細構造を最適化します。従来の製造プロセスと比較して、積層造形は複雑な部品を直接形成できるため、航空宇宙、医療機器、自動車製造などで広く使用されています。さまざまな付加製造技術の中でも、粉末床ベースの溶融プロセスである選択的レーザー溶融（SLM）は、高精度で表面品質の優れた製品を生み出すことから、研究のホットスポットとなっています。選択的レーザー溶融プロセスにおける高温勾配と急速冷却は、高度に飽和した固溶体構造の形成に役立ち、高エントロピー合金の微細構造と特性を最適化する上で大きな利点があります。しかし、選択的レーザー溶融技術は、亀裂形成、組成均一性制御、微細構造調整などの技術的な課題に依然として直面しています。

既存の文献レビューは、特定の付加製造技術の基礎研究に焦点を当てており、実験室研究結果の実践における重要性を体系的に議論していません。したがって、本論文では、積層造形分野における最新の進歩と実験室実践に基づいて、高エントロピー合金の製造における選択的レーザー溶融法 (SLM)、電子ビーム溶融法 (EBM)、直接エネルギー堆積法 (DED) およびその他の技術の応用上の利点と課題を体系的に分析します。重点は、微細構造の最適化、機械的特性の改善、新しい機能特性（耐腐食性、酸化挙動、磁性、水素貯蔵性能など）の開発における積層造形の役割について議論し、現在の技術的ボトルネックと将来の開発方向を分析して、その後の研究に理論的サポートと技術的参考資料を提供することにあります。

高エントロピー合金の基礎の概要<br /> 高エントロピー合金 (HEA) は、ほぼ等しいモル比で少なくとも 5 個、最大で 13 個の金属元素から構成される新しいタイプの合金システムです。合金設計範囲を広げるために、各主要元素のモル分率は通常5％〜35％の間であり、モル比も同様です。高エントロピー合金は、その独特な組成特性と多様な相構造により、機械的、化学的、熱的特性において大きな利点を発揮します。

高エントロピー合金の性能と構造特性は、主に次の 4 つのコア効果から生じます: (1) 熱力学的高エントロピー効果、(2) 構造格子歪み効果、(3) 運動学的低速拡散効果、(4) 「カクテル」効果。これらの効果は、高エントロピー合金の相形成と特性の基本法則を要約したものです。高エントロピー効果は、金属間化合物の形成傾向を減らし、複雑な相の析出を抑制し、合金が均一な単一相を形成する傾向を作ることによって、面心立方（FCC）、体心立方（BCC）、六方最密充填（HCP）などの単純な固溶体相の安定性を促進します。

高エントロピー合金では、ほぼ等モル比と多元素特性が原子拡散挙動と格子特性に大きな影響を与えます。従来の合金では溶質と溶媒の区別がないため、高エントロピー合金内の原子は主に空孔メカニズムを通じて拡散します。しかし、異なる元素の原子半径の違いにより格子歪みが生じ、異なる格子位置での位置エネルギーが大きく変化し、原子の拡散速度が妨げられます。このゆっくりとした拡散挙動は、単一の固溶体相を安定化するのに役立ち、高エントロピー合金が選択的レーザー溶融などの急速冷却プロセス中に優れた熱力学的安定性を発揮できるようにします。同時に、格子歪みにより、異なる相構造に異なる機械的特性が生じます。FCC 相は原子の密集度が高く、格子歪みが小さく、延性と靭性が良好です。BCC 相は原子の密集度が低いものの、格子歪みが大きいため、強度と硬度が高くなります。HCP 構造は、高密度の原子配列とすべり面の少なさにより、優れた耐腐食性と耐高温性を発揮します。特定の条件下では、高エントロピー合金は FCC と BCC の二相構造を同時に持つ場合もあり、組成設計とプロセスパラメータを最適化することで強度と靭性のバランスを実現できます。

相構造の制御は、高エントロピー合金の総合的な性能を向上させる鍵となります。組成設計、製造プロセス、冷却条件を調整することで、相構造の形成と安定性を精密に制御できます。しかし、従来の製造プロセスでは、組成の不均一性や相分離の問題など、均質な高エントロピー合金を製造する上で大きな制限があります。対照的に、積層造形技術は、優れた微細構造制御能力と設計の自由度により、高エントロピー合金の産業応用に幅広い可能性をもたらします。

高エントロピー合金の製造における積層造形技術の応用<br /> 付加製造技術は、高エントロピー合金を製造するための重要なプロセスとなっています。その核心は、原材料を層ごとに堆積させることで複雑な構造を構築することであり、高い設計自由度と高い材料利用率の利点を発揮します。以下の議論は、技術紹介と動作原理、高エントロピー合金の微細構造の制御における役割、各技術の適用範囲と長所と短所の 3 つのレベルから行われます。

2.1 積層造形技術の紹介<br /> 現在、金属材料に適用されている積層造形技術には、主に選択的レーザー溶融法（SLM）、直接エネルギー堆積法（DED）、レーザー溶融堆積法（LMD）、電子ビーム溶融法（EBM）、ワイヤアーク積層造形法（WAAM）などがあります。表1に各付加製造技術の基本情報を示し、図1に対応する動作原理の概略図を示します。これらの技術は、高エントロピー合金の製造にさまざまなプロセス パスを提供します。さまざまなプロセスの特性によって、組織の制御とパフォーマンスの最適化における応用可能性が決まります。

表1 各種積層造形技術の動作原理、技術的特徴、適用範囲図1 5つの積層造形技術の動作原理の概略図: (a) 選択的レーザー溶融、(b) ワイヤアーク積層造形、(c) 直接エネルギー堆積、(d) 電子ビーム溶融、(e) レーザー溶融堆積
2.2 高エントロピー合金の微細構造制御における積層造形技術の役割<br /> 付加製造技術は、独自の急速冷却と高エネルギー密度プロセスを通じて、高エントロピー合金の微細構造制御に大きな利点があることが示されています。従来の製造方法と比較して、付加製造技術は、製造プロセス中に粒子の形態、テクスチャの方向、転位の分布、沈殿に直接影響を与えることで、高エントロピー合金の微細構造と性能特性を制御できます。

2.2.1 粒子の形態と微細化 積層造形プロセスでは、急速冷却（103〜106 K / s）によって粒子の成長傾向が抑制されるため、選択的レーザー溶融法と直接エネルギー堆積法で製造された高エントロピー合金は、微細な柱状結晶または細胞状サブ構造を呈します。この微細構造は、材料の強度と硬度を高めるだけでなく、材料の可塑性も大幅に向上させます。急速冷却により、従来の製造プロセスでは実現が難しいナノツインやアモルファス構造などの非平衡構造も安定化できます。

2.2.2 相構造の安定性と制御 高エントロピー合金の相構造（FCC、BCC、またはHCP）は、合金の特性に大きな影響を与えます。積層造形技術は、高い冷却速度で過飽和固溶体を形成し、不要な金属間化合物の析出を抑えます。同時に、レーザー出力、スキャン戦略、予熱条件を調整することで、二相構造（FCC+BCC）を正確に制御し、強度と靭性のバランスを実現します。

2.2.3 テクスチャ配向と転位ネットワーク 積層造形プロセスの層ごとの構造特性により、強いテクスチャ配向が生じる傾向があります。選択的レーザー溶融法と電子ビーム溶融法によって製造された高エントロピー合金では、柱状結晶が熱流の方向に沿って成長し、独特の組織を形成します。レーザー走査経路またはビーム偏向角度を調整することで、テクスチャの向きを最適化し、特定の方向における性能をさらに向上させることができます。さらに、積層造形プロセス中に、急速な冷却と高い温度勾配によって多数の転位と双晶境界が導入され、材料の強度とクリープ耐性が向上します。

2.2.4 析出と元素分布の均一性 直接エネルギー堆積法やレーザー溶融堆積法などの技術では、溶融池が大きく、冷却速度が比較的遅いため、析出が発生しやすくなります。粉末の組成と溶融池の温度勾配を最適化することで、微細かつ均一に分散した析出物を生成し、材料の硬度と耐摩耗性を向上させることができます。同時に、直接エネルギー堆積のマルチホッパー供給方法は、複数の要素の均一な分散を実現し、従来のプロセスでよく見られる分離の問題を回避できます。

2.2.5 微小欠陥と密度制御 積層造形技術では、ラピッドプロトタイピング中に気孔や亀裂などの欠陥が発生する可能性もあります。選択的レーザー溶融技術は、レーザー出力、スキャン速度、層の厚さなどのパラメータを最適化することで、多孔性を大幅に低減し、部品の密度を向上させることができます。電子ビーム溶融技術は、粉末床を予熱することで残留応力と熱亀裂の発生を低減でき、一方、直接エネルギー堆積技術は、複数回の溶融と再溶融を通じて不連続な溶融プールの欠陥を排除できます。

要約すると、付加製造技術は、高エントロピー合金の組織制御において独自の利点を実証しています。精密なプロセス制御を通じて微細構造を最適化し、性能向上の基盤を築きます。これらの特性は、その後のプロセス最適化に対する理論的サポートを提供し、高エントロピー合金の性能を向上させる重要な方法となります。

2.3 積層造形技術の比較と適用性分析<br /> さまざまな付加製造技術は、組織規制の適用において独自の特性を持ち、そのプロセス特性によって適用範囲と最終的なパフォーマンスが決まります。以下は、微細構造制御能力、組成設計の柔軟性、産業用途への適応性の 3 つの側面から主要技術を分析したものです。

2.3.1 選択的レーザー溶融技術と電子ビーム溶融技術 選択的レーザー溶融技術と電子ビーム溶融技術は、どちらも粉末床溶融技術です。選択的レーザー溶融技術は、高エネルギーレーザーを使用して不活性雰囲気中で粉末を急速に溶融し、微細な柱状結晶と非平衡構造を形成します。これは、複雑な形状の小型部品の製造に適しています。高い冷却速度により、金属間化合物の形成を効果的に防止します。ただし、選択的レーザー溶融プロセスでは、レーザー出力やスキャン速度などのパラメータに厳しい要件があり、わずかな偏差でも亀裂が生じる可能性があります。対照的に、電子ビーム溶解技術は高真空環境で動作し、粉末床を予熱することで残留応力と熱亀裂を軽減します。より大きな部品を準備するのに適していますが、冷却速度が低く、微細構造を改良する能力が限られています。

2.3.2 直接エネルギー堆積技術とレーザー溶融堆積技術 直接エネルギー堆積技術とレーザー溶融堆積技術は、層ごとに堆積することで部品を構築します。直接エネルギー堆積技術は、マルチホッパー供給を通じてその場での合金化を実現できるため、複雑な組成設計や傾斜機能材料の製造に適しています。堆積速度が高く、材料の柔軟性が高いため、大型部品の製造には有利ですが、元素分布を最適化するには複数の再溶解ステップが必要です。レーザー溶融堆積技術は、粉末をレーザービームと同期させて動的に供給することで、複雑な形状の部品を効率的に製造できますが、微細構造の微細化と密度の点では選択的レーザー溶融技術に劣ります。

2.3.3 ワイヤーアーク積層造形技術 ワイヤーアーク積層造形技術は、電気アークを熱源として金属ワイヤーを層ごとに堆積させる技術で、堆積効率が高く、コストが低いため、大型金属部品の製造に最適です。しかし、冷却速度が遅いため残留応力や成分偏析が生じやすく、表面品質も悪いため、精度向上のために後工程の処理が必要となります。

要約すると、付加製造技術は高エントロピー合金の製造のための新しいプロセスパスを開拓し、各技術は微細構造の制御、組成の均一性、性能の最適化において独自の利点を持っています。現在、当研究室では、高エントロピー合金の製造におけるさまざまな付加製造技術の問題点と欠点を研究しており、プロセスパラメータを最適化し、新しい粉末材料を開発することで現在の技術的ボトルネックを克服し、より優れた性能の高エントロピー合金を得ることを目指しています。

積層造形技術を用いた高エントロピー合金の性能最適化の分析
3.1 プロセス最適化がパフォーマンスに与える影響<br /> 高エントロピー合金の性能最適化には、複数のスケールでの調整が必要です。 1 つ目はナノスケールです。積層造形により、準安定相とナノ析出物を正確に制御して、強度や耐疲労性などの材料特性を向上させることができます。さらに、ミクロスケールでは、引張強度や延性などを最適化するために、粒子のサイズ、形状、方向を調整します。最後に、マクロスケールを考慮する必要があります。複合材料の設計（異種構造など）を通じて、多機能特性の包括的な改善を実現できます。現在の研究の最適化の方向性は、主に積層造形プロセスのパラメータを最適化し、プロセスパラメータを調整してパフォーマンスを向上させることに重点を置いています。プロセス最適化の中核要素は、主に次の 3 つの側面に分けられます。

（１）レーザー出力：レーザー出力を最適化すると、材料の溶融池の形態を変えることができます。図2は、3つの異なるタイプの溶融池を示しています。異なる溶融池タイプを制御することで、微細構造の粒径と分布を制御できます。レーザー出力が高いと溶融池が過剰に溶解し、穴や微小亀裂が生じる可能性があります。一方、レーザー出力が低いと溶融池が不十分になり、溶解しない欠陥が生じる可能性があります。

図2 溶融プールの成長の3つのタイプ: (a) タイプI (球状溶融プール)、(b) タイプII (不連続で断片化した溶融プール)、(c) タイプIII (連続した溶融プールの柱)
（２）走査速度：走査速度は冷却速度と凝固パターンに直接影響を及ぼします。スキャン速度が速いと、溶融池での急速な凝固と微細粒子の形成が促進されますが、スキャン速度が速すぎると、溶融池が不安定になる可能性があります。スキャン速度が遅いと、熱の蓄積が増加し、粗大粒子や不均一な構造が形成される可能性があります。 Kunce らは、高エントロピー合金 AlCoCrFeNi の薄壁サンプルを製造する際に、レーザー走査速度が合金の微細構造に大きな影響を与えることを発見しました。スキャン速度が増加すると、冷却速度が増加し、粒径が小さくなります。冷却速度とサンプルの平均サイズの関係を走査速度の関数として図3に示します。走査速度が2.5mm/sから40.0mm/sに増加すると、平均粒径は（108.3±32.4）μmから（30.6±9.2）μmに減少します。さらに、スキャン速度の変化も析出相の形態に影響を与えます。デンドライトとデンドライト間領域では、析出物は微細球状（直径 100 nm 未満）からスピノーダル状（厚さ 100 nm 未満）に変化します。これらの結果は、レーザー走査速度を調整することで、AlCoCrFeNi 高エントロピー合金の微細構造を制御し、その特性を最適化できることを示しています。

図3 サンプルのレーザークラッディングプロセス中にレーザースキャン速度の関数として生成された溶融池の最大冷却速度とサンプルの平均粒径（3）層の厚さとスキャン間隔：層の厚さとスキャン間隔を調整することで、積層品質を最適化し、多孔性を低減し、材料の機械的特性を向上させることができます。

既存の研究では、多くの学者が製造プロセスにおける実験パラメータを調整することで、高エントロピー合金の性能をさらに向上させています。

Liu らは、AlxCoCrFeNi 高エントロピー合金の研究において、高エントロピー合金元素の割合と積層造形の予熱パラメータを制御することで、均一な固溶体相構造が材料の亀裂耐性を向上させるために重要であることを発見しました。最適化された要素比の条件下では、レーザー走査経路と走査戦略を調整することで、内部残留応力を効果的に低減し、ひび割れの発生を減らすことができます。溶融池の動的平衡状態を最適化することで、粒子構造の均質化が達成され、高性能高エントロピー合金の製造にはレーザー経路の微細設計とパラメータ調整が重要であることが実証されました。

Niu らは、レーザー粉末床溶融 (LPBF) 技術を使用した高エントロピー合金の調製を研究し、それを極低温処理と組み合わせて材料特性を改善しました。レーザー出力、スキャン速度、層の厚さなどの主要なパラメータを調整することで、準備プロセス中の微小亀裂の発生が大幅に減少し、組織構造の改良が達成されました。研究により、極低温処理によって結晶内に焼鈍双晶の形成が誘発され、材料の強度と靭性のバランスが改善されることが判明しました。この実験結果は、微細結晶粒と高密度双晶の相乗効果が性能向上を達成するための重要なメカニズムであることを示しています。

Song らは、異なるレーザー出力とスキャン速度が多孔性と核平均配向偏差 (KAM) に与える影響を研究しました。図 4 は、レーザー粉末床溶融結合技術のさまざまなパラメータにおける多孔度を示しています。レーザー出力が一定の場合、スキャン速度の増加とともに多孔度が大幅に増加することがわかります。走査速度が一定の場合、レーザー出力の変化は多孔性にほとんど影響を与えません。レーザー出力とスキャン速度が溶融池の安定性と多孔性に与える影響には、顕著な非線形特性があります。適切な範囲内でスキャン速度を上げると、溶融池の形状安定性と冷却均一性が向上し、多孔性が低減します。 KAM 値は、格子不整合の程度を反映するために使用できます。一般に、粒界に近い領域では KAM 値が比較的高くなりますが、粒の内部では KAM 値はほぼゼロです。隣接する粒間の格子不整合により、局所的に深刻な残留ひずみが発生する可能性があります。 KAM は、レーザー粉末床溶融技術によって作製されたサンプルの転位密度を推定するために使用できます。さまざまなレーザー粉末床溶融プロセスパラメータでの KAM 値を図 5 に示します。適切な範囲内のレーザー出力とスキャン速度により、レーザー粉末床溶融中の溶融プールの安定性が向上し、気孔率が低下し、密度が向上します。プロセスパラメータを最適化することで、Co47.5Fe28.5Ni19Si3.4Al1.6高エントロピー合金の引張降伏強度は417.0 MPaに増加し、伸びは33.9%に達します。同時に、独特の転位析出ネットワークが形成され、優れた軟磁気特性や機械特性などの総合的な特性が向上します。上記の研究は、適切なパラメータ調整により微細構造の均一性が大幅に向上し、機械的特性と機能特性が向上することを示しています。したがって、スキャン速度を最適化するには、非線形効果を考慮し、レーザー出力などのパラメータと調整して最適な密度を得る必要があります。

図4 異なるレーザー粉末床融合プロセス条件下での高エントロピー合金の多孔性図5 異なるレーザー粉末床融合プロセスパラメータでの高エントロピー合金のKAM値（ρGNDは幾何学的転位密度です）：（ad）レーザー出力200W、スキャン出力800、1000、1200、1400mm / s、（eh）スキャン速度1000mm / s、レーザー出力250、300、350、400W
Ma らは、ナノ構造を設計し、多成分効果を利用することで高エントロピー合金を作製し、従来の金属や異種ナノ構造金属を超える強度と延性の組み合わせを実現しました。その降伏強度と引張ひずみの関係を図 6 に示します。同時に、積層造形プロセス中の熱処理パラメータを調整することにより、不均質構造が高エントロピー合金の強度と可塑性に大きな相乗効果をもたらすことが研究で判明しました。図 7 は、異なる微細構造を持つ高エントロピー合金の特性をまとめ、比較することで、不均一性設計の重要な役割を示しています。極低温処理や複数の熱サイクルなど、さまざまな冷却速度と熱処理プロセスを使用することで、ナノスケールの析出物と高密度の粒界転位ネットワークをうまく生成できました。結果は、これらの最適化方法により、良好な可塑性を維持しながら材料の強度を大幅に向上できることを示しています。図 8 は、さまざまな材料の降伏強度と均一引張ひずみに対する変態誘起塑性 (TRIP) 効果と双晶誘起塑性 (TWIP) 効果を示しています。TRIP HEA は優れた性能を示し、相変態と双晶効果を通じて微細構造を最適化することが重要であることを示しています。この研究は、不均一性の導入により、積層造形における一般的な亀裂の問題を効果的に軽減し、材料の性能設計の柔軟性を高めることができることをさらに証明しています。熱処理プロセスと冷却速度の正確な制御は、高エントロピー合金の機械的特性を最適化する鍵となります。

図6 降伏強度と均一引張ひずみの関係（黄色の網掛け部分は従来の金属の強度と延性の関係、破線と点（1〜10）は異種ナノ構造金属の特性、一点鎖線と実線（A〜E）は高エントロピー合金の特性、実線（I）は複雑な多成分合金の特性を表す）
図 7 異なる微細構造を持つ高エントロピー合金の降伏強度と均一引張ひずみの関係: (a) FCC、(b) BCC (黄色の帯状領域は、FCC ベースの高エントロピー合金/中エントロピー合金のおおよその性能範囲を示しています。(b) 図の破線は、BCC-TiZrHfNb HEA に 2% の酸素溶質を添加することで導入された不均一性が、強度と延性の相乗効果を大幅に促進することを示しています)
図 8 多主元素鋼の降伏強度と均一引張ひずみの関係 実験中に高エントロピー合金を調製するためのプロセスパラメータと条件を最適化および調整することに加えて、調製された高エントロピー合金の熱処理または後処理によってもその性能を向上させることができます。

熱間等方圧加圧（HIP）は、気孔率を低減するための重要な手段です。この研究では、積層造形されたCrMnFeCoNi合金を1150℃、150MPaで3時間熱間静水圧プレスすると、残留応力が大幅に減少し、元素分布の均一性が向上することが示されました。しかし、熱間静水圧プレスは相変態や粒子の粗大化を引き起こし、特性に悪影響を及ぼす可能性があります。したがって、熱間静水圧プレスプロセスの選択では、材料の微細構造と性能要件を総合的に考慮する必要があります。

超低温処理（DCT）は、急速な冷却と再加熱によってナノ双晶、積層欠陥、転位ネットワークの形成を促進し、材料の降伏強度と可塑性をさらに向上させます。 Liらは、周期的な極低温処理により欠陥密度が大幅に増加し、FCCからHCPへの相構造の変化が実現し、引張強度と延性が最適化されることを発見しました。 Songらは、液体窒素による急速冷却と水槽での加熱による極低温処理を実施し、高エントロピー合金の転位密度と双晶構造を強化し、引張強度と延性を大幅に向上させ、FCCからHCPへの移行をより均一にすることで、材料全体の安定性を向上させました。極低温処理により、転位密度と結晶構造変態を調節し、高エントロピー合金の機械的特性を最適化できることが証明されています。

レーザーショックピーニング（LSP）は、高エネルギーパルスレーザーを使用して材料表面に衝撃波を誘発し、勾配微細構造と圧縮残留応力を生成して、材料の強度と延性を大幅に向上させます。レーザー衝撃強化処理後、レーザー付加製造された CrMnFeCoNi 合金の破壊モードは、延性脆性混合破壊から純粋な延性破壊に変化し、同時に逆応力硬化効果が高まり、材料の塑性変形能力が強化されます。

一般的な熱処理プロセスとしてのアニーリングは、転位密度を減らし、析出相構造を最適化することで、材料の総合的な特性を向上させることができます。 Zhu et al。さらに、アニーリング温度とアニーリング時間を制御すると、沈殿相の均一な分布を誘導し、機械的特性のさらなる最適化を実現できます。 Song等对打印样品在750 ℃下进行退火处理，形成了L12和B2型析出物，使得样品的屈服强度提升至1201 MPa，极限强度达到1512 MPa，同时保持了15.1%的延展性，该实验证明了退火诱导的析出强化机制及退火工艺生成的纳米析出物对材料综合性能的显著贡献。

近年、上記のテクノロジーの合計アプリケーションは、包括的なパフォーマンス改善のための新しい可能性も提供しています。レーザーショックピーニングと組み合わせたアニーリングは、粗い穀物を大幅に改良し、双子を形成し、それにより強度と延性の両方を改善することができます。深い極低温治療と周期的な深部極低温治療に基づく革新的な方法は、追加された高エントロピー合金の微細構造と巨視的特性をさらに最適化するための広範な研究空間を提供します。

3.2組織とパフォーマンスの間の相関の分析<br /> 実験的研究により、高エントロピー合金の特性は微細構造特性と密接に関連していることが示されています。穀物のサイズ、形状、方向は、材料の強度、延性、疲労特性に直接影響します。たとえば、細かい穀物は転位の動きを妨げることで材料の強度を改善し、ナノ前沈殿物の存在は強化効果をさらに高めます。変形双子の形成は、材料の延性を改善するだけでなく、転位スリップにピン留め効果をもたらし、それによって硬さを改善します。

この研究は、強化メカニズムにおける降水段階の役割も明らかにしました。高密度炭化物ナノ沈降により、転位運動に対する抵抗を高めることにより、材料の降伏強度が大幅に増加します。さらに、一部の合金システムは、アニーリング中にL12とL21の二重沈殿相を形成し、この構造は材料の引張強度と疲労抵抗を大幅に改善します。

マクロスケールでの不均一な構造設計は、パフォーマンスの最適化におけるその重要性も実証しています。勾配残留応力分布と複雑な相構造を導入することにより、強度と延性の間の良好なバランスを達成できます。迅速な冷却を通じて超飽和固形溶液を形成したり、複数の熱処理を通じてマルチスケール構造を導入したりするなど、微細構造の正確な制御は、高エントロピー合金の包括的な性能をさらに最適化することができます。

Song et al。

（1）高エントロピー合金の強度は、固形溶液の強化、粒界の強化、降水量の強化に由来します。たとえば、急速な冷却によって引き起こされるメタスト可能なナノ沈降物（金属間化合物、炭化物など）は、高エントロピー合金の硬度と降伏強度を大幅に改善します。同時に、LPBF条件下では、高い冷却速度が細かい円柱結晶と細胞皮膚結晶を形成し、材料の降伏強度を大幅に改善しました。ナノスケールの沈殿物（例：Crが豊富な沈殿物）はBCC相で形成され、FCC相と相乗的に作用して、材料の強度と延性を高めます。

（2）高エントロピー合金の可塑性と靭性は、主にSlip Systemsを備えており、BCCフェーズはより少ない筋肉式を備えているため、その可塑性が低くなります。デュアルフェーズ構造（FCC+BCCコンポジットフェーズなど）の設計により、FCC相の柔軟性がBCC相の硬度を効果的に改善し、高強度の下で材料を維持できます。

（3）加えて製造された高エントロピー合金における細かい柱状結晶と非平衡転移性相は、疲労亀裂の成長に対する耐性を改善しますが、多孔性と溶融プールの境界欠陥は疲労寿命を弱めます。

（4）FCC相は低温で高い靭性を維持しますが、BCC相は低温でも脆性に耐久性のある移行を起こしやすい。この欠陥は、マイクロアロリーと熱処理プロセスを最適化することにより、部分的に改善できます。加工された材料をアニーリングすると、材料特性が大幅に改善できます。

Ma et al。粒子サイズ、沈殿物の均一性、脱臼密度が高エントロピー合金の機械的特性を決定する主な要因である。微細な穀物は材料の強度を大幅に改善できますが、沈殿物の量と分布は可塑性において規制の役割を果たします。同時に、ツイン構造の導入は、材料の延性を高めるだけでなく、転位の動きを妨げることで硬度を向上させることになります。 Niu et al。これらの構造は、高エントロピー合金の硬度と引張強度を改善しますが、残留ストレスの増加により亀裂感度の増加につながる可能性もあります。熱処理の温度と時間を調節することにより、沈殿を強化するメカニズムを誘導して、パフォーマンスをさらに向上させることができます。研究では、微細構造と機械的特性の間には非常に結合された関係があり、材料の性能は、組織の進化を正確に制御することによって最適に設計できることが示されています。

現在の問題と将来の見通し<br /> 高エントロピー合金に関する多くの研究がありましたが、高エントロピー合金の開発と応用にはまだ多くの問題があります。第一に、添加剤の製造プロセス中に、高融点と低融点要素の蒸発速度の違いにより、組成分離と微細構造の不均一性が発生する可能性があります。たとえば、選択的レーザー融解と直接的なエネルギー堆積プロセスでは、異なる元素の凝固速度の違いが不均一な要素分布につながり、材料の機械的特性と疲労抵抗に影響を与える可能性があります。第二に、急速な冷却と高温の勾配は添加剤の製造の特徴ですが、有意な残留応力と亀裂感受性にもつながります。特に選択的なレーザー融解プロセスでは、高エネルギーレーザーはすぐに溶けて金属粉末を溶かし、大きな熱応力を生成し、亀裂の形成と膨張を調製プロセスでは無視できない問題にします。添加剤の製造は、急速な冷却を通じて非平衡構造（細かい円柱結晶やナノプレシピテートなど）を形成することができますが、微細構造の正確な制御は依然として課題です。たとえば、構造の粒子洗練と方向の調整には、レーザーパワーやスキャン速度などの高度に最適化されたパラメーターが必要ですが、これらのパラメーター間の相互作用はまだ完全には理解されておらず、多くの研究とテストが必要です。最後に、ナノ、マイクロ、マクロスケールで高エントロピー合金の性能の最適化を同時に達成する必要がありますが、通常、添加剤の製造技術は特定のスケールで大きな利点しか持たません。たとえば、迅速な冷却は微細構造を改良するのに役立ちますが、疲労抵抗や延性などの巨視的な機械的特性に悪影響を与える可能性があります。上記の側面では、製造プロセスを継続的に改善するために、研究者からの継続的な努力が依然として必要です。

将来、研究者は、より良い組成の均一性と流動性を備えた高エントロピー合金粉末の開発に集中することができます。表面コーティングまたは合金要素を導入して蒸発速度を調節し、成分の分離を低減するか、基板を予熱し、スキャンパスを最適化し、治療後（高温等等等極位化処理など）を採取することにより、亀裂感度や残留応力を減らすことができます。自己治癒亀裂を可能にする高エントロピー合金材料の開発も重要な開発方向です。または、多機能要件を満たしながら、さまざまな地域の組成または組織の変化を通じて強度、靭性、疲労抵抗のバランスを実現するために、不均一な構造、勾配材料、多相複合材料の設計を研究します。超音波添加剤造形（UAM）や電気化学添加剤造形（EAM）などの非伝統的な熱源に基づいた添加剤製造技術の開発も、現在の添加剤製造技術の制限を改善する可能性があります。

新しいテクノロジーと製造プロセスを組み合わせることは、処理結果を改善する重要な方法です。たとえば、レーザーパワーを共同で最適化し、速度をスキャンし、スキャン戦略を使用することで、複雑なプロセスパラメーターのインテリジェントな制御を実現できます。近年、機械学習（ML）と人工知能技術の導入により、高エントロピー合金を処理するための選択的レーザー融解技術に関する研究のための新しいアイデアが提供されています。 Tan et al。材料記述子と機械学習モデルを最適化することにより、研究者は、選択的レーザー融解技術によって処理された高エントロピー合金の顔中心の立方体、体中心の立方体、およびデュアルフェーズ構造の際に81.58％の精度を持つモデルを成功裏に構築しました。さらに、引張特性を予測するための最適化モデルが開発され、最終的な引張強度（UTS）と降伏強度（YS）の予測の平均絶対率誤差（MAPE）はそれぞれ20.43％と20.25％であり、高い信頼性を示しました。実験は、選択的レーザー融解技術を使用して製造されたさまざまな高エントロピー合金の実際の性能が、予測された結果とよく一致していることを示しています。将来の研究は、溶融プールの挙動と微細構造の進化を正確に予測するために、添加剤の製造プロセスの多物理シミュレーションにももっと注意を払うことができます。

図9。特定の材料問題について、材料記述子と機械学習モデルの最良の組み合わせを検索するための戦略のフローチャート。
結論 この論文は、高エントロピー合金の分野における添加剤製造技術の研究の進歩を体系的に要約し、さまざまな添加剤製造技術のプロセス特性と微細構造調節におけるその役割の分析に焦点を当てています。添加剤の製造技術の高い冷却速度は、細粒構造とナノプレシピテートの形成を促進しますが、プロセスパラメーター（レーザーパワーやスキャン速度など）およびその後の熱処理（アニーリングやクリージェニック治療など）の最適化は、高エントロピー合金のパフォーマンスをさらに改善する重要な手段です。さらに、組織構造とパフォーマンスとの関係を深く探索することにより、機械的特性などの多機能特性に関するFCC、BCC、およびデュアルフェーズ構造の重要な影響メカニズムが明らかになりました。

添加剤の製造技術は、高エントロピー合金の調製において多くの結果を達成していますが、亀裂制御、組成分離、大規模なコンポーネント製造などの問題がまだあります。将来の開発の可能性は、（1）産業用アプリケーションに適した効率的な準備プロセスを開発します。添加剤の製造技術の継続的な進歩により、高エントロピー合金は、より広い範囲の分野での可能性を実現し、先進材料科学と製造技術の統合のための新しい推進力を提供します。

参照（省略）


金属、パフォーマンス

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