トップジャーナルレビュー：MSER：アルミニウム合金の付加製造における接種処理の研究の進歩

出典: マテリアルサイエンスネットワーク

3D プリンティングとも呼ばれる粉末ベースの付加製造 (AM) は、高度な人工金属材料の製造方法に革命をもたらしています。アルミニウム (Al) 合金は、自動車産業や航空宇宙産業の主要材料として、積層造形の分野で常に人気のある研究材料となっています。しかし、AM を使用した Al コンポーネントの製造を広く適用するには、課題が残っています。アルミニウム合金は、積層造形中に粗く質感のある柱状の粒子を形成する傾向があり、これが高温割れや重大な特性異方性につながる可能性があります。

AM で Al 合金をシードすると、結晶粒の微細化、亀裂の除去、特性の改善が達成できるという最近の発見は、この分野における重要な前進です。この論文では、AM 製造における Al 合金の接種処理に関する最新の研究をレビューし、さまざまな接種技術、さまざまな接種剤の精製効率、およびそれらの基礎となるメカニズムについて包括的な概要を示します。本稿ではまず、エピタキシャル粒成長のメカニズムに焦点を当てて、AM における凝固特性の概要を説明します (図 1)。

図 1: (a) 従来の鋳造、(b) 積層造形、(c) シーディングを施した積層造形における固体/液体界面成長前の組成過冷却 ()、熱過冷却 (、核形成に必要な臨界過冷却 () の概略図。
続いて、AM プロセスにおける Al 合金の接種処理の最新の進歩について包括的にレビューし、AM で製造された Al 合金の結晶粒微細化に関する最先端の知識を読者に提供することを目的としています (図 2 ～ 4)。これには、Al3X（X = Zr、Ti、Sc、Ta）核形成元素とその化合物のレビュー、および結晶粒微細化における混合接種技術の優れた性能のレビューが含まれます。他の精製装置と比較すると、その場で形成された Al3X 精製装置は、結晶粒の微細化において優れた性能を発揮します。これは、より均一な構成とサイズ分布に関係している可能性があります。この精製剤は、AM プロセス中に急速に固化するため、ナノスケールの寸法を持ちます。合理的な添加範囲内であれば、ナノ粒子は強度を向上させるだけでなく、合金の可塑性にも大きな影響を与えません。さらに、既存の文献をまとめると、混合接種技術（複数の間引き剤を介した接種）は、単一の間引き剤を接種するよりもはるかに高い間引き効果を持つことがわかりました。メカニズム研究によると、混合精製剤は互いに結合して相乗効果を生み出し、マトリックスアルミニウムと精製剤間の格子不整合をさらに低減し、精製効率を向上させる可能性があります。
図 2: (a) AM 製 7075 アルミニウム合金、(b) 結晶粒の形態、(c) ZrH2 接種後の合金の引張特性。 (d-f) AM プロセス中の Zr 精製メカニズムの TEM 分析 (d) TEM 明視野像、(e) EDS 元素分布、および (f) 選択領域回折パターン。
図3: AMで製造されたTiB2を含むAlSi10Mgアルミニウム合金の(a)結晶粒形態と(b)微細構造。 (cf) AMプロセス中のTiB2の精製メカニズムのTEM分析。図 4: (a) AM 製 7075 アルミニウム合金、(b) TiH2 のみを接種した合金、(c) TiH2 と B を接種した混合 7075 合金の結晶粒の形態。 (d-f) 混合接種の精製メカニズムのTEM分析 (d) TEM明視野像、(e)高解像度TEM像、(f)対応するFFT像。この図は、TiH2とBの混合接種により、Al3Ti膜を含むTiB2ナノ粒子が形成されたことを示しています。個々の Al3Ti および TiB2 と比較すると、複合粒子はより優れた安定性と精製効果を備えています。
さらに、本論文では、AM 製造アルミニウム合金の既存の結晶粒微細化剤 (図 5) の結晶構造計算を行い、さまざまな合金における結晶粒微細化効率を評価し、将来の産業用途への指針を示しました。 AM 製造において、精製装置の精製効率はマトリックス Al とのミスマッチに密接に関係しており、これは従来の凝固における現象と一致していることがわかりました。このレビューには、AM を使用した先進的な Al 合金の製造における現在の課題と潜在的な機会についての著者の理解と議論も含まれています。以下では、この分野の今後の展望、科学的理解のギャップ、高性能 Al 合金の製造における AM の拡張に関する研究ニーズについて説明します。
図 5: (a) レーザー粉末床溶融法 (L-PBF) で製造された 2024 および 7075 アルミニウム合金で、完全またはほぼ完全な柱状から等軸変態 (CET) を達成するために必要な接種剤の臨界添加レベル。 (b) E2EMモデルによって計算された核形成剤とAlマトリックス間の方向関係（OR）に対応する原子間ミスマッチ値。
公開された結果のレビューに基づいて、次のような結論を導き出すことができます。

AM における結晶粒の微細化: AM における溶融プールの凝固に伴う大きな熱勾配は、柱状結晶粒の形成を促進する傾向があります。しかし、従来の鋳造における重要な戦略である接種処理は、AM における柱状結晶粒から等軸結晶粒への変態を効果的に促進します。相互依存理論や E2EM モデルなど、金属鋳造で確立された結晶粒微細化理論とモデルは、AM 製造された Al 合金の結晶粒微細化メカニズムに関する貴重な洞察を提供します。

接種処理: 効果的な核形成粒子の導入により、溶融池内の不均一核形成が促進され、粒成長が制限され、微細粒微細構造が形成されます。 AM に有効な接種剤には、Zr、Sc、Ti などの Al3X を形成する元素や、TiB2 や LaB6 などの化合物が含まれます。その効率は、核生成器/Al マトリックス界面の原子整合度によって大きく左右されます。

AM 専用の新しい合金の開発: 接種処理の概念は、AM 専用の新しい Al 合金の開発において中心的な役割を果たします。これらの合金は、通常、Sc、Zr、Ti などの接種剤を含み、高い印刷性を示し、AM の広い処理ウィンドウ内で等軸粒子構造を可能にします。

接種処理の最適化: 接種剤の添加量を増やすと結晶粒の微細化効率が向上しますが、微細化効率と機械的特性のバランスを取り、過剰な介在物を回避するために、慎重に最適化する必要があります。ハイブリッドシーディング法は、核粒子の密度を高めるという点で精製効率を向上させる可能性を示しています。さらに、処理を制御し、適切な溶質を添加することで、接種処理の精製効率をさらに向上させることができます。

上記の知見は、ほとんどの積層造形アルミニウム合金に適用して結晶粒微細化を実現でき、「高耐亀裂性、高強度、高可塑性 3D プリントアルミニウム合金」の開発というホットな分野で活用できます。このアイデアは、2024年2月6日に「アルミニウム合金の粉末ベースの積層造形における接種処理の最近の進歩」というタイトルで、トップの国際レビュージャーナルであるMaterials Science and Engineering: R: Reports (IF=31)に掲載されました。この論文の唯一の著者は、オーストラリアのクイーンズランド大学機械鉱山工学部です。研究者 Tan Qiyan 氏がこのレビューの第一著者であり、Zhang Mingxing 教授が責任著者です。

記事全文と付随資料はhttps://doi.org/10.1016/j.mser.2024.100773でご覧いただけます。

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