新しい技術はレーザー付加製造されたニッケルベースの超合金の亀裂を効果的に修復できる

出典: サイエンスネット

中国科学日報の報道によると、最近、南方科技大学機械エネルギー工学部の朱強教授が率いるチームが最新の研究結果を材料科学誌に発表した。研究チームは、液体誘起治癒（LIH）レーザー積層造形による亀裂の新しいプロセスを提案しました。このプロセスでは、粒界の微小再溶融を制御して粒界液体膜を導入し、欠陥を埋め戻すことで、マイクロスケールでコンポーネントの亀裂を「溶接」します。この研究成果は、非常に割れやすい合金のレーザー積層造形という業界の難題を打破する上で大きな意義を持っています。

▲ 論文のグラフィカルな概要

レーザー積層造形は、パーソナライズされた複雑な金属部品の全体的な成形を解決するための革新的な技術であり、大きな応用の見込みがあります。しかし、一般的に使用されている数百種類のエンジニアリング合金の中で、安定したひび割れのない印刷を実現できるのはわずか十数種類に過ぎず、従来のプロセスを置き換えるというニーズを満たすにはほど遠い状況です。

鋳造、溶接などのプロセスと比較すると、レーザー積層造形技術は、微小領域の異常冶金と急速凝固という固有の特性を持っているため、ひび割れが発生する可能性が高くなります。レーザー積層造形における亀裂に対処するための既存の方法は2つあります。1つは、印刷プロセス中に合金の凝固範囲、粒子形態、コンポーネントの温度勾配を調整して亀裂を抑制することです。ただし、異なる合金システムへの影響には大きな違いがあり、プロセスウィンドウが狭く、安定性が悪く、亀裂を完全に排除することは困難です。2つ目は、熱間等方圧プレス（HIP）後処理を使用して亀裂を閉じることです。しかし、HIP では表面の欠陥を修復できず、表面の材料を除去するためのさらなる処理が必要となり、複雑な構造を形成する付加製造技術の核となる利点が間違いなく弱まります。

さらに、極めて高圧な作業条件のため、HIP 装置は複雑で非常に高価になるため、少数の高付加価値金属積層造形部品にのみ適しています。

この点に関して、研究チームは、結晶間に連続した液体膜を導入して亀裂を「溶接」するという技術的アイデアに基づいて、液体誘起治癒（LIH）技術を提案しました。典型的な高亀裂感受性合金IN738LCをテスト合金として使用し、LIH技術の実現可能性と進歩を検証しました。研究結果によると、LIH技術による処理後、合金の機械的特性が大幅に向上しました。引張特性の点では、LIH 状態は鋳造状態や熱間静水圧プレス状態よりも高く、高温クリープの点では、LIH 状態の合金は精密鋳造に匹敵し、熱間静水圧プレス状態よりもはるかに高い性能を示します。

現在最も信頼性の高いHIP技術と比較して、LIH技術は欠陥除去効率、汎用性、利便性、コストの面で大きな利点があると報告されています。第一に、表面欠陥を修復できないという技術的制限を打破したため、表面を除去するための追加機械加工を必要とせず、複雑な部品の細孔治癒処理に使用できます。第二に、LIHに必要な圧力はHIPプロセスの1/20以下であるため、高圧専用装置の安全上の危険性がなくなり、装置構造とコストが簡素化されます。第三に、HIPは数時間高温で保温する必要がありますが、断熱処理は不要であるため、プロセス効率が向上し、エネルギー消費コストが削減されます。

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