高性能マグネシウム合金の積層造形プロセス、微細構造、機械的特性および最適化研究の数値シミュレーション

出典: Additive Manufacturing Master and Doctor Alliance

マグネシウム合金は、航空宇宙、鉄道輸送、新エネルギー、バイオメディカルなどの分野で幅広い応用が期待されています。積層造形技術の発展により、複雑な構造を持つ高性能マグネシウム合金部品の形成が可能になりました。しかし、マグネシウム合金は融点と沸点が低く、蒸気圧が高く、酸化特性が強いため、積層造形部品の内部に気孔、亀裂、介在物などの欠陥が生じやすく、その結果、積層造形マグネシウム合金の応用レベルは、耐熱合金、アルミニウム合金、チタン合金などの他の材料に比べて大幅に遅れています。マグネシウム合金に適した積層造形技術を開発し、材料の改質とプロセスの最適化を通じて冶金欠陥を減らすことが、積層造形マグネシウム合金の応用ボトルネックを打破する鍵となります。マグネシウム合金の積層造形技術には、主に選択的レーザー溶融法（SLM）、ワイヤアーク積層造形法（WAAM）、摩擦攪拌積層造形法（FSAM）、および摩擦攪拌積層法（AFSD）が含まれます。マグネシウム合金の付加製造技術の研究現状と技術進歩を総括し、異なる付加製造技術の成形プロセスにおけるマグネシウム合金の数値シミュレーション研究結果をまとめ、異なる付加製造技術の重要なプロセスパラメータがマグネシウム合金部品の微細構造と機械的特性に与える影響を比較・分析し、マグネシウム合金の付加製造技術の今後の研究焦点を展望した。原文はこの記事の最後からダウンロードできます。

マグネシウム合金は、密度が低く、比強度が高く、総合的な機械的性質が優れ、減衰特性、水素貯蔵容量、生体適合性にも優れているため、航空宇宙、鉄道輸送、新エネルギー、バイオメディカルなどの分野で幅広い応用が期待されています[1-5]。しかし、マグネシウム合金の化学的性質は非常に活発であり、鋳造、鍛造、溶接などの従来の成形プロセスでは、満足のいく形状制御および特性制御効果を得ることが困難です。原材料の形状、成形原理、部品の構造と性能の統合設計の観点から、新しい高度な製造技術の開発が緊急に必要とされています。公式アカウント「Additive Manufacturing Master and Doctor Alliance」をフォローして、付加製造の研究とエンジニアリングの応用に焦点を当てた大量の付加材料を無料で入手しましょう。

近年、積層造形（AM）技術の急速な発展により、複雑な構造を持つ高性能マグネシウム合金部品の形成が可能になりました。 AMはレーザー、電子ビーム、アークなどの高エネルギービームを熱源とし、デジタルモデルをベースに粉末、ワイヤーなどを原料として層状に積み重ねることで立体物を構築する技術であり、製造技術における革命的なブレークスルーと考えられている[6-10]。 2010 年以降、マグネシウム合金部品の設計と製造における AM の応用レベルはますます成熟してきました。現在、マグネシウム合金の積層造形技術には、主に選択的レーザー溶融法（SLM）[11]とワイヤアーク積層造形法（WAAM）[12]がある。WAAM技術には、ガスメタルアーク溶接（GMAW）[13]、ガスタングステンアーク溶接（GTAW）[14]、プラズマアーク溶接（PAW）[12]、冷間金属転写（CMT）[15]がある。

さらに、一部の学者は、摩擦撹拌成形原理に基づいて開発された摩擦撹拌積層造形（FSAM）技術と摩擦撹拌堆積（AFSD）技術を研究してきました[16-17]。表 1 と図 1 は、マグネシウム合金の付加製造技術のプロセス特性と形成された部品の実際の写真を比較したものです。上記の技術は、成形中に原料が溶融するかどうかによって、液相（SLM、WAAM）と固相（FSAM、AFSD）の2つのカテゴリに分類できます[18]。その中で、SLMは成形品質に優れ、WAAMは成形効率が高いです。部品のサイズと構造、効率とコストに対する総合的な要件に基づいて、適切な成形技術を選択する必要があります。

マグネシウム合金の低い融点と沸点、高い蒸気圧、および強い酸化特性により、積層造形部品の内部に気孔、亀裂、介在物などの欠陥が形成されやすく、マグネシウム合金の積層造形部品の製造に大きな困難をもたらす可能性があることを指摘しておく必要があります。マグネシウム合金の積層造形技術の研究成果は年々増加しているが、高温合金、アルミニウム合金、チタン合金と比較すると、マグネシウム合金の積層造形部品の研究レベルは遅れている[28-31]。マグネシウム合金に適した付加製造技術を開発し、材料の改良とプロセスの最適化を通じて冶金上の欠陥を減らすことが、マグネシウム合金の応用におけるボトルネックを打破する鍵となります。これを踏まえて、本稿では、マグネシウム合金の付加製造技術の研究状況と開発動向をレビューし、マグネシウム合金の成形におけるさまざまな付加製造技術の数値シミュレーション研究結果をまとめ、対応するプロセスパラメータがマグネシウム合金の付加製造部品の微細構造と機械的特性に与える影響を分析し、マグネシウム合金の付加製造技術の将来の研究焦点を展望します。

1 マグネシウム合金SLM積層造形技術

SLMは2000年頃に登場した新しい積層造形技術である。高エネルギーレーザー熱源を用いて金属粉末を完全に溶かし、その後急速に冷却して固めることで、高密度で高精度の金属部品を得る。その動作原理を図2に示す[32]。公式アカウント「Additive Manufacturing Master and Doctor Alliance」をフォローして、付加製造の研究とエンジニアリングの応用に焦点を当てた大量の付加材料を無料で入手しましょう。

1.1 SLM成形プロセスの数値シミュレーション
SLM成形プロセス中、マグネシウム合金粉末は急速に溶融・凝固し（冷却速度は10e4～10e5 K/sと高い）、溶融池の温度勾配は103～105 K/cmに達するため、レーザーエネルギーの伝達・吸収や溶融池の動的挙動をリアルタイムで監視することが困難となる[33-34]。

1.2 SLMマグネシウム合金の微細組織

現在、マグネシウム合金SLM積層造形技術の研究は比較的包括的であり、合金元素の違いにより、主な材料系にはMg-Al-Zn（AZシリーズ）、Mg-Zn-Zr（ZKシリーズ）、Mg-Y-RE（WEシリーズ）などの市販のマグネシウム合金と、Mg-Ca、Mg-Zn-Dy、Mg-Snなどの新しいマグネシウム合金が含まれる[24、37-48]。表 2 は、SLM によって形成された代表的なグレードのマグネシウム合金の構造特性をまとめたものです。

1.3 SLMマグネシウム合金の機械的特性

技術の進歩とプロセスパラメータの最適化により、SLM マグネシウム合金の密度は 100% に近づき、機械的特性は鍛造マグネシウム合金と同等かそれ以上になります。表 3 は、SLM によって形成された代表的なグレードのマグネシウム合金の機械的特性を比較したものです。

現在、ほとんどのSLMマグネシウム合金の総合的な機械的特性は、同じ組成の鋳造マグネシウム合金よりも優れています。材料の強度、可塑性、靭性をどのように相乗的に向上させるかが、今後の研究の焦点となります。現在、ZKシリーズマグネシウム合金とAZシリーズマグネシウム合金のSLM成形技術の研究は比較的成熟しています。 LIANGら[46]は、最適なプロセス条件下でのSLM-ZK60マグネシウム合金の微小硬度と降伏強度はそれぞれ90HVと172.59MPaであり、鋳造ZK60マグネシウム合金よりも高いことを指摘した。王金業ら[39]は、最適なSLMプロセスパラメータで得られたAZ91マグネシウム合金の機械的特性とダイカストAZ91マグネシウム合金の機械的特性を比較した（表4参照）。SLMマグネシウム合金の機械的特性は、ダイカストAZ91マグネシウム合金よりも大幅に高かった。その平均引張強度と伸びは、ダイカスト状態と比較してそれぞれ38.09％と138.67％増加した。

1.4 SLMマグネシウム合金の性能最適化

SLM マグネシウム合金の密度が低く、内部欠陥が発生しやすいという問題を解決するために、材料の微細構造を改善して機械的特性を高める後処理方法がよく使用されます。一般的に使用される後処理方法には、熱間等方圧プレス (HIP) と熱処理 (HT) があります。 LIUら[56]はSLM-AZ61マグネシウム合金にHIP処理を施し、その微細構造と機械的特性を効果的に改善した。

2 マグネシウム合金WAAM付加製造技術

WAAMはアーク溶融堆積成形とも呼ばれ、電気アークまたはプラズマアークを熱源として金属線を溶かし、成形経路に従って層ごとに堆積して積み重ねます。3次元デジタルモデルに基づいて、製品の形状とサイズの要件に近い3次元金属ブランクが線-表面-本体から製造されます[59]。その動作原理を図7に示します[60]。 GMAW、GTAW、PAW技術と比較して、CMT技術は、低入熱やプロセスパラメータの正確な制御などの利点があるため、マグネシウム合金のWAAMの主流技術となっている[12-15]。

2.1 WAAM成形プロセスの数値シミュレーション

現在、マグネシウム合金のWAAM成形の数値シミュレーションに関する研究はほとんどありません。何俊傑ら[61]は、FLUENTソフトウェアを使用して、マグネシウム合金のCMT成形中の溶接ワイヤ-溶融滴-溶融池の多相流モデルを確立し、エネルギー入力と溶接ワイヤの引き抜き動作が溶融池の形態に及ぼす影響を研究した。結果を図8に示します。溶接ワイヤ引き込みの短絡段階では、溶融池が引き上げられ、溶接ワイヤの端に液体ブリッジが形成されます。マランゴニ効果の作用により、内部の溶融物は端から中央へ、下から上へと流れます。溶接ワイヤが溶融池を離れると、溶融池は液体ブリッジの破裂の反力を受け、溶融池は急速に後方に流れて形状を変えます。溶接ワイヤ引き込みプロセス中に形成されたマランゴニ効果が、溶融池の形態に影響を与える主な要因です。 GRAFら[62]は、MSC.Marc非線形有限要素ソフトウェアを使用して、CMTプロセス中のAZ31マグネシウム合金薄肉部品の温度場に対するワイヤ送り速度と溶接パスの影響を予測し、実験的手段を通じて理論モデルの信頼性を検証した。

2.2 WAAMマグネシウム合金の微細構造

マグネシウム合金線は製造工程が複雑で生産コストが高いため、種類が非常に限られており、比較的成熟した市販のマグネシウム合金線は主にAZシリーズです。そのため、WAAMが使用する原材料は主にAZシリーズのマグネシウム合金です。表5は、WAAMによって形成された異なる組成のAZシリーズマグネシウム合金の微細構造特性をまとめたものです。

2.3 WAAMマグネシウム合金の機械的性質<br /> 国内外の学者たちは、WAAM 技術によって製造された AZ シリーズマグネシウム合金の機械的特性について広範な研究を行ってきました。表6は、WAAMで形成された異なる組成のAZシリーズマグネシウム合金の機械的特性をまとめたものです。 SLM マグネシウム合金と比較して、WAAM マグネシウム合金は、破断時の伸びが高く、高い機械的強度を維持できます。 WAAMマグネシウム合金の機械的特性には明らかな異方性があります。WANGら[67]はCMT-AZ31マグネシウム合金の横方向および縦方向の引張特性を研究し、堆積方向（TD）の降伏強度と引張強度はそれぞれ85.4MPaと225.7MPaであるのに対し、積層方向（BD）の降伏強度と引張強度はそれぞれ125.9MPaと210.5MPaであることを発見しました。同様に、WAAM成分の機械的特性における異方性は、AZ61、AZ80M、AZ91、AEX11などの組成でも確認されている[63-66]。

2.4 WAAMマグネシウム合金の性能最適化

WAAM のプロセスパラメータを調整するだけでは材料の機械的特性の改善効果は非常に限られているため、材料特性をさらに改善するには適切な後処理プロセスを採用する必要があります。 SLM マグネシウム合金と同様に、WAAM マグネシウム合金の後処理プロセスでも、熱処理と加圧処理がよく使用されます。 GUOら[76]は、WAAM-AZ80Mマグネシウム合金の微細組織と機械的特性に対する堆積時効処理（AD）、溶体化処理（T4）、溶体化処理+不完全時効処理（T5）、溶体化処理+時効処理（T6）の効果を比較した。結果を図11に示す。T4処理後、共晶組織が溶解し、合金元素のミクロ偏析が改善された。T5処理後、共晶組織からネットワークβ相が析出した。T6処理後、微細β相がマトリックスから析出し、粒および粒界に分布した。 T6 処理により、材料の強度と可塑性が同時に向上し、堆積方向と構築方向に沿った異方性が排除されます。

郭洋洋[77]は、WAAM-AZ80Mマグネシウム合金の微細構造と機械的性質に対する圧延処理の影響を研究し、圧延処理により材料内部の第二相の含有量とサイズが大幅に減少し、結晶が微細化され、組織が弱くなることを発見した。圧延されていないサンプルの微細構造は、平均粒径が56μmの粗い等軸結晶である。2kNと4kNの圧延力で圧延処理した後、サンプルの平均粒径はそれぞれ40μmと35μmである。材料の強度と可塑性は、圧延圧力の増加とともに徐々に増加する。さらに、摩擦撹拌処理はCMTマグネシウム合金の表面品質を改善し、溶接部と基材の界面の穴を排除し、結晶粒をさらに微細化し、使用中の破損のリスクを低減することもできる。これは、CMTと摩擦撹拌処理による高性能マグネシウム合金の複合製造の実現可能性を証明している[78]。

3. マグネシウム合金の摩擦撹拌積層造形技術

近年、研究者らは摩擦撹拌成形の原理に基づいて、FSAMとAFSDという2つの新しい固相溶接技術を開発しました。その動作原理を図12に示します[79]。

3.1 摩擦撹拌成形プロセスの数値シミュレーション

現在、マグネシウム合金のFSAM積層造形技術の研究は徐々に増加しており、国内外の学者は数値シミュレーション結果に基づいてプロセスパラメータを最適化し、FSAMマグネシウム合金の微細構造と機械的特性を研究しています。 Li Ruqiら[85]は、多層AZ31マグネシウム合金板のFSAM成形のための計算流体力学モデルを確立し、撹拌ヘッド速度と板層数が溶接部のレオロジー挙動、温度場、ひずみ速度に及ぼす影響を研究した。結果を図13に示す。撹拌ヘッド速度の増加に伴い、撹拌ゾーンの溶接部のひずみ速度と再結晶粒径が増加し、板層数の増加に伴い、撹拌ゾーンの粒径は減少した。

3.2 摩擦撹拌成形マグネシウム合金の微細組織と特性

摩擦撹拌成形部品の成形品質は原材料の種類と密接に関係しています。商用グレードのマグネシウム合金の製造プロセスは成熟しており、粉末、線材、板材などさまざまな形状を安定して生産できるため、摩擦撹拌成形に使用されるマグネシウム合金は主に商用グレードであり、AZシリーズやWEシリーズのマグネシウム合金が含まれます。表7は摩擦撹拌成形マグネシウム合金の微細構造特性と機械的特性をまとめたものである。公式アカウント「Additive Manufacturing Master and Doctor Alliance」をフォローして、付加製造の研究とエンジニアリングの応用に焦点を当てた大量の付加材料を無料で入手しましょう。

4 結論と展望

（1）航空宇宙、鉄道輸送、新エネルギー、バイオメディカルなどの分野での積層造形マグネシウム合金の応用範囲が拡大し続けるにつれて、粉末冶金プロセスに基づいて開発された従来の商用グレードのマグネシウム合金粉末は、積層造形技術の特殊な要求を十分に満たすことができません。積層造形用の特定の組成、形態、粒子サイズを持つマグネシウム合金粉末システムの開発と、原材料の評価方法の改善が緊急に必要とされています。

（2）積層造形技術で直接製造されたマグネシウム合金部品には、気孔、亀裂、介在物などの欠陥がよく見られます。より厳しい使用条件に適応するためには、表面改質、熱間加工変形などの方法により部品の組織構造を改善し、総合的な機械的特性を向上させる適切な後処理プロセスを開発する必要があります。

（３）現在、積層造形マグネシウム合金の使用性能に関する研究は、主に機械的特性に焦点を当てている。実際の使用中に部品が荷重と腐食の結合効果を同時に受ける可能性があることを考慮すると、さまざまな使用条件に対応するために、部品の腐食挙動、応力腐食挙動、腐食疲労挙動に関するその後の研究を強化する必要がある。

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