Acta Mater: レーザー粉末床溶融積層造形における収縮のメカニズム

出典: マルチスケールメカニクス

パウダーベッドフュージョン (PBF-LB) は、複雑な金属部品をほぼ正確な形状で製造できる積層造形 (AM) プロセスです。 PBF-LB プロセスでは、高出力レーザーが金属粉末の薄い層を以前に堆積した層に選択的に溶かして融合し、3D パーツを層ごとに徐々に構築します。レーザー出力やスキャン速度などの最適なプロセスパラメータを識別するプロセスマップを作成することにより、PBF-LB プロセスでは通常、内部欠陥が最小限に抑えられた一貫した品質の部品が生成されます。しかし、欠陥のない部品を追求する中で、研究者たちは現在、最適化されたプロセスパラメータを使用した場合でもランダムに発生する、いわゆる「論理的」欠陥を記録しています。

米国カーネギーメロン大学機械工学部のウィリアム・フリーデン・テンプルトン氏らは、レーザー粉末床溶融結合法（PBF-LB）中に718合金で生じる収縮空洞の生成と挙動を研究した。収縮は金属鋳造品によく見られる欠陥で、部品の性能を低下させる可能性があります。従来の金属鋳造では、Niyama 基準は、引け巣の形成を予測するための信頼性の高いヒューリスティックです。しかし、PBF-LB プロセスへの Niyama 基準の適用可能性は未だ検討されておらず、PBFLB で製造された部品の収縮多孔性を予測する既知の評価済みのヒューリスティック手法は存在しません。この研究では、微細構造特性評価と解析的熱伝達モデリングを使用して、PBF-LB プロセスにおける収縮空洞形成のメカニズムを説明します。

図1 凝固中の金属における収縮空洞形成の図解。 (a) 十分な熱勾配と冷却速度による樹枝状凝固。 (b) 温度勾配が低すぎる場合や冷却速度が高すぎる場合、デンドライト間の流路が二次デンドライトによって塞がれます。 (c、d) 合金718のPBF-LBサンプルの収縮気孔ネットワークを示す後方散乱電子顕微鏡写真。レーザースキャン方向はフレーム内とフレーム外であり、両方の顕微鏡写真の構築方向は同じです。
図2 加熱窓実験の概略図。プレートの左側のサンプルでは、溶融軌跡がガスの流れの方向と平行に走っています。プレートの右側のサンプルでは、反動方向と平行な溶融軌道を描いています。
図3 PBF-LBの溶融プール図。固相線温度と液相線温度間の凝固前面厚さdの変化によって引き起こされる熱勾配Gの変化を示しています。 TE 推定値は、熱勾配と冷却速度を計算するための温度です。
図4 プロセスパラメータによる収縮多孔度の変化。 (a) 後方散乱電子顕微鏡写真は、285 W 1000 mm/s サンプルでは堆積温度の上昇とともに多孔性が低下することを示しています。矢印は顕微鏡写真で確認された収縮孔を指しています。面積率は、収縮孔を含む顕微鏡写真の割合を表します。 (b) 最上層の再溶融深さより下の収縮多孔性は、製造された部品内で永久的なものとなる。 (c) 堆積温度 393 K (左) および 703 K (右) でのレーザー出力と走査速度のプロセス。溶融プールの深さは、堆積温度が 393 K (左) から 703 K (右) に上昇するときに一定の形状を維持するために必要なパラメータシフトの例を示します。
図5. 凝固中の冷却速度（*T）、温度勾配（G）、およびニヤマ基準（Ny）と比較した記録された最大収縮細孔深さ。これらの量は、固体温度のすぐ上の溶融プールの末端で計算されます。図6 測定されたSDAS、理論的なSDAS傾向（*T-1/3）、および最大収縮細孔深さの比較。測定は、上部の溶融池の下の多孔度以下のサンプルと、樹枝状の微細構造（つまり、単なる細胞成長ではない）を生成するサンプルに限定されました。エラーバーは SDAS 測定値の最初の標準偏差を表します。セルの顕微鏡写真はサンプル 18 (350 W、1000 mm/s、ハッチ間隔 110 μm) からのものであり、デンドライトの顕微鏡写真はサンプル 2 (350 W、750 mm/s、ハッチ間隔 120 μm) からのものである。両方のグラフの p 値は、値の間に関連性がないという帰無仮説を棄却します。
図7 収縮プロセス図に重ね合わせた、393 K および 703 K での一定冷却速度の計算等高線。 8 の赤い等高線 𝑥 には 105 K/s が含まれており、2 つの堆積温度を比較するのに役立ちます。
図8 本研究で実施した実験設計における最低堆積温度と最高堆積温度での収縮多孔度と小孔多孔度境界。収縮多孔度境界は、永久バルク部品収縮多孔度への移行を表します。
図9 伝導モード溶融とキーホールモード溶融の違いを示す溶融プールの断面図。 t0、t1、t2、および t3 は、凝固プロセス中の概念的な時間ステップにおける凝固前面の位置を表します。キーホールモードの溶融プールの顕微鏡写真の例では、凝固成長方向の変化とそれに伴う収縮細孔の方向に注目してください。
結果は、Niyama 基準では収縮空洞の発生を効果的に予測できないことを示しています。さらに、収縮多孔性の形成は主に凝固微細構造における二次樹枝状結晶の成長によって引き起こされ、凝固中の高冷却速度での細胞成長への移行により、細孔形成部位が除去され、多孔性が緩和されます。これは、凝固冷却速度に基づくヒューリスティックな方法により、収縮キャビテーションの発生を確実に予測できることを意味します。実際の用途では、プロセス設計と制御のための収縮プロセスマップが提供され、プロセス計画における収縮の軽減に直接役立ちます。プロセスと収縮の関係の結果は、PBF-LB 製造における堆積温度の上昇とスループットの向上の傾向により、収縮形成の条件が悪化し、本研究で提案された緩和戦略の重要性がさらに高まる可能性があることも示唆しています。

関連する研究結果は、「レーザー粉末床融合積層造形における収縮多孔性のメカニズム説明」というタイトルでActa Materialia（巻：266、2024、119632）に掲載されました。論文の筆頭著者はWilliam Frieden Templeton氏、責任著者はWilliam Frieden Templeton氏とSneha Prabha Narra氏です。

論文リンク:
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.119632

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