マグネシウム系複合材料の付加製造に関する研究の進歩と展望

出典: WAAM アークアディティブ

1. 研究の背景 付加製造（AM）には、製造サイクルが短い、材料の利用率が高い、設計の自由度が高い、機械的特性が優れている、複雑な構造部品を製造できるなどの利点があります。マグネシウムベースの複合材料 (MMC) の高剛性および高強度特性と、高性能の複雑な構造部品を形成する AM の技術的利点を組み合わせることで、製造された付加製造マグネシウムベースの複合材料 (AM MMC) は、自動車、航空、民生用電子機器、バイオメディカルなどのハイテク産業分野で大きな潜在的利点と幅広い応用の見通しを持っています。マグネシウム合金は他の金属に比べて多くの利点があり、21 世紀で最も理想的なグリーン材料であると広く考えられていますが、さらなる応用を妨げる多くのボトルネックも存在します。実際の用途では、マグネシウム合金のさらなる応用には多くの困難を克服する必要があります。製造業における軽量で高性能な金属部品に対する切実な需要に応え、マグネシウムベースの複合材料の応用範囲を拡大するためには、高性能な MMC を製造するためのより高度で、より効果的で、より簡単な方法を開発することが緊急に必要です。この目的のため、北京航空航天大学の王華明院士チームの張成星研究員と李卓研究員は、材料（マグネシウム合金）分野の専門学術誌「マグネシウムと合金ジャーナル」（TOP、中国科学院第1ゾーン、IF：17.6）に「マグネシウム基複合材料の付加製造：最近の進歩と研究展望の包括的なレビュー」と題する研究成果を発表しました。研究成果は主に、マグネシウム基複合材料の付加製造分野の空白を埋めるために、近年のマグネシウム基複合材料の付加製造の研究の進歩をレビューしました。同時に、現在および将来のさまざまな分野における AM MMC の応用可能性、開発動向、および将来の研究アイデアも明らかにしています。間違いなく、この研究は AM MMC 分野の研究者を支援し、将来のマグネシウムベース複合材料の付加製造の研究方向について具体的な提案を提示することになります。

2. 紙の画像

図1 複合材料の微細構造の模式図

図2 積層造形における設計・製造プロセスの概要

図 3 グラフは、ハードウェアやツールの変更が不要なため、射出成形よりも非常に複雑な部品を少量生産する方が経済的であることを示しています。

図4 (a) カテゴリーと (b) 業界、付加製造業界 (c) 市場規模、2013-2019年、(d) 自動車生産収益、2019-2029年

図5 積層造形技術の種類

図6 PBFとDED技術の概略図

図7 金属積層造形におけるマルチスケール・マルチ物理現象の結合プロセスの模式図

図8 SLM中のボール効果: (a) 100 mm/s、(b) 200 mm/s、(c) 300 mm/s、(d) 400 mm/s

図9: (a) 気孔率と (bd) 溶融差（溶融粉末粒子と未溶融粉末粒子）

図10 (ab) 溶融池内の熱状態の数値シミュレーションと(cd) レーザー積層造形中の合金元素の蒸気圧と蒸発速度の温度関数としての模式図

図11 粒界微細構造 (a) ZK60、(b) 0.2Cu/ZK60、(c) 0.4Cu/ZK60、(d) 0.6Cu/ZK60、(e) 0.8Cu/ZK60、(f) 粒度統計

図12 LPBF法によるSiC/WE43複合材料のSiC粒子分布

図13 (a) 測定されたレーザー吸収、(b) シミュレーションされた温度分布 (ef) およびAZ31B合金とCNTs/AZ31B複合材料の溶融プールの形態

図 14 (a) 平面凝固前面と球状ナノ粒子のモデル図、(b) 粘性トラッピングとブラウン運動トラッピング、正のファンデルワールスポテンシャルと負の化学結合エネルギー、トラッピングのエネルギー障壁、ブラウン運動ポテンシャルがエネルギー障壁より大きい場合、ブラウン運動トラッピングが発生する、(c) 自発的トラッピング、負のファンデルワールスポテンシャルと負の化学結合エネルギー、(d) 金属コアシェルナノ粒子システムの構造の模式図、および (e) 主要材料のハンマーク定数 (zJ) と原子番号

図15 (a) TEM/AD91DおよびLPBF SiC/AZ91D複合材料のα-Mg粒子中のAl8Mn5粒子のAEM/EDS分析、および(b) SiCnp成長制御効果の模式図

図16 レーザービームの中心付近の温度分布（a）蒸着なし、（b）銀蒸着

図17 Cu/ZK60抽出物で1、3、5日間培養した後のヒト骨肉腫MG63細胞の相対成長率
3. 主な結論

現在、AM 技術と AM MMC 向けの新しい材料システムに関する研究は比較的限られています。 AM プロセス、MMC の微細構造と特性についてはある程度理解されていますが、アルミニウム、ニッケル、マグネシウムベースの複合材料の積層造形と比較すると、AM MMC の開発はまだ初期段階にあります。マグネシウムベースの複合材料の積層造形における今後の開発方向と解決すべき緊急の問題は次のとおりです。

1. マグネシウム基複合材料の組成設計：（i）鋼棒に適合する合金系を得るためには、マグネシウムマトリックスの組成を開発し、最適化する必要がある。（ii）より合理的なサイズ、タイプ、形態、体積率、補強材の組み合わせを検討する。（iii）新しい多相強化材システムの開発により、単相強化材の分散不良や添加量の低下といった問題を効果的に克服することができる。

2. マグネシウム系複合材料の積層造形用原材料の選定：原材料の品質と特性を改善・最適化し、AMmmc（マグネシウム系複合材料の積層造形）用の粉末とワイヤの使用基準を確立する必要がある。

3. 積層造形技術の研究：（i）関連する加工パラメータの影響を積極的に探究し、微細構造の特徴の発達メカニズムと欠陥の種類、分布、サイズが積層造形部品の総合的な機械的特性に与える影響メカニズムを明らかにし、強い非平衡状態の凝固挙動を説明する必要がある。（ii）高速シンクロトロンX線イメージングなどのさまざまなin situ技術を使用して、AMプロセスにおける欠陥形成メカニズムとさまざまな欠陥の相互結合効果をリアルタイムで明らかにすることができます。数値シミュレーション技術と組み合わせることで、AM MMC の欠陥、微細構造、特性の正確な制御が可能になります。（iii）多孔質材料を製造することで、AM技術を用いた新しい多機能部品を製造する能力を向上させることができる。（iv）表面品質と寸法精度をオンライン監視およびインテリジェント制御するシステムを開発することが不可欠です。

4. AM MMC のメカニズム解析: (i) MMC の微細構造特性と進化、および強化材の存在下および AM 中の複雑で多重の熱サイクルにおける析出物とマトリックス間の相互拡散挙動を調査します。 (ii) 析出相とマトリックス間の界面反応層の成長速度論と微視的拡散メカニズムを調査する (iv) 積層造形されたマグネシウムベース複合材料の破壊メカニズムをさらに研究する。

5. AM MMC のその他の特性の拡張: マグネシウムベースの複合材料の高温性能、耐摩耗性、導電性、腐食、生体適合性などの特定の特性を向上させることで、MMC の適用範囲をさらに拡大できます。

6. AM後処理システムの研究：後続の熱処理工程とその後の熱間静水圧プレス、オープンダイ鍛造などの厳密に制御された処理と標準化された設備構築を実施し、組織と性能を標準化し、「積層造形部品の機械的特性は鋳造品のレベルに達することができるが、鍛造品のレベルには達しない」および「高温耐久性能は鍛造品の要求を満たすが、鋳造品には達しない」という問題を根本的に解決する必要があります。

IV. 論文引用

Chenghang Zhang、Zhuo Li、Jikui Zhang、Haibo Tang、Huaming Wang。マグネシウムマトリックス複合材料の付加製造：最近の進歩と研究展望の包括的レビュー[J]。Journal of Magnesium and Alloys、2023、11（2）：425-461。DOI：https://doi.org/10.1016/j.jma.2023.02.005

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