重慶大学の Li Kun 氏と Pan Fusheng 氏の学術チームによるレビュー: 高性能マグネシウム合金アーク積層造形技術の研究現状と展望!

出典: 材料科学と工学

マグネシウム合金は、密度が約 1.8g/cm3 で、アルミニウムの 2/3、鉄の 1/4 に相当し、現在入手可能な最も軽いエンジニアリング構造材料の 1 つです。現在、軽量化に最適な素材であり、自動車、鉄道輸送、航空宇宙、情報産業、エネルギー産業の分野で重要な応用可能性を秘めています。現在、マグネシウム合金を製造する主な方法は、鋳造と押し出し技術です。

しかし、凝固速度と温度勾配の影響により、鋳物には通常、低密度、気孔、亀裂などの欠陥があります。同時に、鋳物の粒度分布は不均一で、機械的特性は劣っています。鋳造技術と比較して、熱間押し出しは動的再結晶挙動を通じて構造を効果的に改良し、機械的特性を向上させることができます。しかし、マグネシウム合金の塑性変形では、良好な加工塑性を得るために、より多くのすべり系を高温で活性化することがしばしば必要になります。しかし、マグネシウムの酸素親和性と緩い酸化膜欠陥により、成形プロセス中にマグネシウム合金に酸化物介在物などの欠陥が容易に発生する可能性があります。マグネシウムとその合金は、高温で緩く多孔質の非保護性の酸化膜を形成します。酸化過程で発生する熱によってさらに酸化が進み、温度は2850℃（マグネシウムの沸点1170℃より高い）に達することもあります。同時に、マグネシウムの飽和蒸気圧は非常に高く、高温で爆発する可能性があり、製造時に危険を伴います。さらに、鋳造や押し出し技術では、より複雑な部品を製造する際に面倒な減法加工や後処理プロセスが必要になることが多く、原材料の無駄が生じるだけでなく、生産効率も低下します。

付加製造技術は、高性能でパーソナライズされた部品の製造において、企業や研究者の間で大きな関心を集めています。従来の減算処理方法と比較して、積層造形部品の設計は形状によって制限されません。同時に、冷却速度が速いため、マグネシウム合金の結晶粒微細化、固溶体強化、析出強化のメカニズムが大幅に強化され、部品の機械的特性は鋳造製品よりも大幅に高くなり、鍛造品のレベルにまで達します。したがって、積層造形技術は、マグネシウム合金部品の設計と製造のための新たな挑戦的な探究領域を開拓しました。大型部品用のマグネシウム合金の製造において、アーク積層造形技術は、堆積速度が高く、製造スペースの制限がないことから、広く注目を集めています。しかし、チタンとその合金、アルミニウムとその合金、銅系合金、ニッケル系合金、鋼などの材料と比較すると、マグネシウム合金のアーク積層造形は現在、研究の初期段階にあります。そのため、マグネシウム合金アーク積層造形法の成形、組織、性能特性と品質最適化戦略を分析、議論することが特に重要であり、これに基づいて、重慶大学の李坤教授と潘復生院士のチームが研究とまとめを行いました。関連論文は「高性能マグネシウム合金アーク積層造形技術の研究現状と展望」というタイトルで機械工学ジャーナルに掲載されました。

論文リンク: https://link.cnki.net/urlid/11.2187.TH.20240123.1210.028

高性能マグネシウム合金は軽量輸送機器の重要な開発方向の一つとなっています。しかし、マグネシウム合金は活性特性と常温加工性の悪さから、従来の製造技術では大きな制限を受けています。ワイヤアーク積層造形法（WAAM）は、ワイヤを原料として、電気アークによってワイヤを層ごとに溶かして堆積させ、高密度の金属部品を形成するプロセスです。直接エネルギー堆積積層造形技術に属します。堆積速度が高く、製造スペースが広く、成形が安定しており、プロセスが安全であるため、高性能マグネシウム合金の高度な製造の重要な手段の1つになっています。本論文では、現在のアーク積層造形技術と、その堆積したマグネシウム合金の成形、微細構造、特性の特徴に焦点を当て、マグネシウム合金のアーク積層造形の現在の研究状況を体系的にレビューします。同時に、マグネシウム合金の製造工程における熱サイクル、蓄熱、性能低下などの問題に対応して、製造工程における原位置処理、マグネシウム合金溶接ワイヤの設計、アーク成形の精度制御、熱処理の最適化などの研究と現状をまとめた。既存の研究に基づいて、マグネシウム合金のアーク積層造形におけるボトルネックの問題を指摘し、この分野の開発と改善の方向性を提案します。これにより、この分野の研究者にとって貴重な情報と展望がより良く提供されることになります。

図1 さまざまなアーク積層造形装置の模式図：（a）金属アーク溶接、（b）タングステンアーク溶接、（c）プラズマガス溶接、（d）冷間金属転写溶接、（e）さまざまな製造プロセスの比較図2 マグネシウム合金アーク積層造形の酸化物と細孔の分布図3 さまざまなプロセスパラメータ、パス、入力周波数、印刷モードによるマグネシウム合金積層造形図4 WAAM製造中の熱サイクル、熱勾配、機械的特性図5 さまざまな層の厚さの熱伝導モード図6 KGTモデルとCETモデル図7 鋳造AZ31とWAAM AZ31の腐食性能図8 空冷と液体窒素冷却の性能と装置図9 WAAM +層間FSP製造の模式図図10 マグネシウムとマグネシウム合金の特性と用途アーク積層造形は堆積高さの影響を受けます。さらに、液滴の不安定性と各層のアーク放電/消火によって引き起こされる熱入力エネルギーの急激な変化により、蓄積された誤差が最終的に堆積されたコンポーネントの精度に問題を引き起こします。そのため、マグネシウム合金のアーク積層造形プロセスの安定性と再現性の問題が、高性能マグネシウム合金の開発における主な障害となっています。積層造形技術では、熱源が成形、組織、性能を決定する最も重要な要素です。凝固範囲が狭いマグネシウム合金の場合、マグネシウム合金の成形可能なプロセス範囲が狭くなるため、各堆積層を注意深く制御することが重要です。したがって、WAAM によるアーク形成の精密制御は、この問題を解決するための最も重要な方法の 1 つになります。
図11 WAAMパラメータと溶融池情報のオンライン監視 - 閉ループ制御システム設備とプロセスパラメータの設計と最適化に加えて、熱処理は組織と元素の不均一な分布を解決し、異方性挙動を改善するための効果的な方法の1つです。アーク積層造形の場合、各部品の熱サイクルの程度が異なるため、異なる高さの構造は平衡状態と非平衡状態の間になる可能性があります。異なる高さの微細構造の熱処理に対する応答メカニズムは異なり、構造の粗大化や過小老化/過老化につながります。既存の鋳造、押し出し、レーザー積層造形などの技術の熱処理システムは、アーク積層造形サンプルに適用するのが難しい場合があります。そのため、今後は実験と理論を通じてマグネシウム合金のアーク積層造形に適した新たな熱処理システムを確立することも、高性能マグネシウム合金の開発において解決すべき重要な課題の一つである。

図12 異なる熱処理条件下でのWAAM-AZ80M合金のOM、SEM、硬度および引張特性。高性能マグネシウム合金は、軽量で環境に優しく経済的な構造部品の開発に求められる要件の1つになりつつあります。アーク積層造形法は、その高い堆積速度、高速冷却、および大きな空間自由度により、欠陥が少なく高性能なマグネシウム合金を製造するための重要な技術の 1 つになりつつあります。アーク積層造形における現在の大きな問題は、精度の問題です。通常、アークパラメータを変更することで、成形の問題をある程度最適化できます。しかし、アークの始動と消弧の不安定性が高く、熱場が絶えず変化するため、誤差が蓄積され続けます。将来的には、閉ループ制御システムの開発により、アーク積層造形の自動化度が向上し、製造コストが削減され、生産効率が向上し、マグネシウム合金のアーク積層造形の産業化がサポートされます。さらに、マグネシウム合金のアーク積層造形は、同じ熱システム下での熱処理に対する微細組織の異なる高さでの反応により、微細組織の粗大化、時効不足、時効過剰につながります。現在、異なる微細組織形態分布に対するカスタマイズされた熱処理プロセスに関する報告はありません。したがって、将来的にマグネシウム合金のアーク積層造形のための熱処理方法と装置を開発することが、この問題を解決するための重要な技術の 1 つです。同時に、アーク積層造形プロセス中のインサイチュソリューションとインサイチュエージング効果の利用も検討する必要があります。部品の熱履歴のさらなる研究と調整を通じて、堆積中のインサイチュ熱処理を従来の熱処理に代わる手段として使用することができ、部品の生産効率を大幅に向上させ、コストを削減することが期待されます。
図13 アーク積層造形マグネシウム合金の開発動向

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