西安交通大学：新しい液滴＋アーク積層造形法で高品質・高効率なアルミニウム合金製造を実現

出典: 高出力・超高速レーザー先進製造研究所

指向性エネルギー堆積技術（DED）は、堆積効率が高く、コストが低く、原材料の範囲が広いという特徴があり、中型および大型部品の積層造形の分野で大きな応用可能性を秘めています。しかし、研究により、既存の DED では添加される材料の量と熱入力の間に厳密な一致関係があり、高い堆積速度でコンポーネントの品質を確保することが困難であることがわかっています。したがって、高品質と高効率の製造をどのように同時に実現するかが、DED が直面する重要な課題の 1 つです。

最近、西安交通大学機械製造システム工学国家重点研究室の魏正英教授のチームは、アーク積層造形、レーザー積層造形、レーザーアーク複合積層造形技術を比較した後、従来のDED積層造形におけるワイヤと熱源の強い結合を打ち破り、ある程度の高品質かつ高効率なアルミニウム合金部品の製造を実現する新しい液滴+アーク積層造形法（DAAM）を提案しました。関連する研究成果は、積層造形分野のトップジャーナルである「Additive Manufacturing」に掲載されました。

研究内容
1. 実験装置：DAAM システムでは、チームは従来のワイヤ供給システムまたは粉末供給システムに代わる特殊な液滴生成装置 (DGS) を設計し、材料の追加とエネルギー入力のプロセスを 2 つの独立した部分にしました。 2 つの部品は、それぞれ誘導加熱装置と可変極性ガスタングステンアーク (VP-GTA) を熱源として使用します。実験では、DGS で生成された溶融液滴が基板上の VP-GTA で生成された溶融池に垂直に滴下し、基板の動きを制御することで 3 次元部品の製造を実現します。実験材料としては、堆積材料として2219アルミニウム合金を選択し、基板としてSUS304ステンレス鋼を使用した。溶融液滴と溶融池の酸化を防ぐため、処理プロセス全体は不活性保護雰囲気内で実行されます。

図1 DAAMプロセスの原理と実験セットアップ。
2. 高速カメラ観察：結果によると、小型で高周波数の液滴は運動エネルギーが少なく、溶融池への影響が弱いため、堆積プロセスがより安定し、表面が滑らかで明らかな欠陥のない堆積層が得られることがわかります。さらに、製造プロセス中、溶融池の熱放散率は堆積高さの増加とともに最初は低下し、その後一定になる傾向があり、その結果、堆積層のサイズが不均一になります。この問題を解決するために、本論文では新しい入熱戦略を提案します。アーク入熱を継続的に修正することで、表面形態と寸法精度が良好な薄肉部品を生産することに成功しました。

図2 レイリーモードでの堆積プロセス。
3. 微細構造分布と粒子形態：断面の結果から、この時点では粒子は主に等軸状であることがわかります。下部領域の粒度は細かく、中間部および上部領域の粒度は比較的粗いです。縦断面では、底部にも小さな等軸粒子があり、堆積層の大部分は柱状粒子であり、強い配向性を示しています。中間層と上層の間には微量の微細等軸結晶が存在します。 EBSD の結果から、堆積高さの増加とともに粒径が徐々に大きくなることがわかります。

図3 DAAM薄肉部品の結晶粒成長プロセス。
4. 異なる熱処理プロセス条件下での部品の引張特性と破壊特性: 積層造形サンプルの方向異方性を考慮して、各サンプルグループをサンプリングし、それぞれ水平方向と垂直方向にテストしました。結果は、T6 熱処理による引張強度と降伏強度の強化効果が最も顕著であることを示しています。 T4 熱処理を施したサンプルの伸びは、T6 熱処理を施したサンプルの伸びよりも優れています。対応する破壊解析結果から、層間領域と内層領域が異なる破壊特性を示していることがわかります。層間領域は延性破壊であり、内層領域は延性脆性混合破壊です。異なるサンプリング方向における引張破壊の形態を比較すると、垂直方向では水平方向とは異なる破壊特性を示し、破壊内により多くのピットと気孔が現れることがわかりました。一般に、DAAM 積層造形で製造された薄肉部品の場合、微細構造と微細欠陥が共同して破壊モードに影響します。

図4 異なる熱処理プロセスにおけるDAAM薄肉部品の引張特性。図5 引張破壊形態（a）水平方向の層間領域、（b）水平方向の内層領域、および（c）垂直方向（T6熱処理）。
5. 他の研究者の研究との比較：比較パラメータには、さまざまな引張性能指標と堆積速度が含まれます。一般的に、引張特性の点では、この記事の方法を使用して製造されたサンプルは、鍛造、GTA-AM、レーザー GTA-AM サンプルよりも優れており、基本的に業界最高の CMT 冷間金属転写プロセス性能と同じレベルにあります。堆積速度に関しては、DAAM の特殊な材料添加およびエネルギー入力方法により、その堆積効率は既存のすべての方法の中で最も高くなっています。

図6 異なる添加剤方法で製造された2219アルミニウム合金の引張特性と堆積速度。
研究の結論 本論文では、新しい液滴＋アーク積層造形法（DAAM）を提案しています。この方法は、材料添加プロセスとエネルギー入力プロセスを2つの独立した部分に革新的に分割し、従来の積層造形におけるワイヤと熱源の強い結合を打ち破り、ある程度、高品質かつ高効率なアルミニウム合金部品の製造を実現します。さらに、この研究では、積層造形の熱入力戦略と層間の厚さが、最終部品の表面形態と粒径に重要な影響を及ぼすことがさらに確認されました。上記の研究成果は、アークやレーザーをベースとした高品質かつ高効率な積層造形のための新しいプロセスや技術の開発にとって、一定の参考意義を持っています。

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