自然！その場X線イメージングとマルチフィジックスモデリングにより、DEDの細孔進化メカニズムが明らかに

2024年2月28日、アンタークティックベアは、ロンドン大学クイーン・メアリー校、ユニバーシティ・カレッジ・ロンドン（UCL）、ロールス・ロイス社と国際研究者らが協力し、指向性エネルギー沈着（DED）における孔形成のメカニズム解明に大きな進歩を遂げたことを知りました。
この研究は最近、Kai Zhang、Chu Lun Alex Leung、Peter D. Leeらが共著した「指向性エネルギー堆積積層造形中の細孔発達メカニズム」と題する論文としてNature Communicationsに掲載されました。

関連論文リンク: https://www.nature.com/articles/s41467-024-45913-9
指向性エネルギー堆積法 (DED) は、高付加価値製品の複雑な形状を製造するための有望な層ごとの積層造形 (AM) 技術です。 DED は、損傷したタービンブレードの修理などの修理用途にも使用されます。しかし、自動車、海洋、航空宇宙、生物医学の分野での DED プロセスの工業化は、プロセス中に導入される多孔性によって制限され、これがコンポーネントの最終的な機械的特性、特に疲労寿命に悪影響を及ぼす可能性があります。
多孔性は、DED によって製造される部品の一般的な特徴であり、チタン合金、ニッケルベースの超合金、アルミニウム合金など、さまざまな合金で観察されています。多孔性には主にガス多孔性と溶融欠陥が含まれ、その形成メカニズムに応じて分類されます。ガス多孔性は、原料、シールドガスの閉じ込め、および液体金属よりも固体に溶解しにくいガス（水素など）の発生によって発生することがあります。エネルギー入力が不十分なために、溶融多孔性の欠如が生じる可能性があります。 DED の多孔性は通常、金属組織観察や X 線コンピューター断層撮影などの現場観察技術を使用して研究されます。しかし、これらの技術では、孔形成の現象や、孔の成長および移動のダイナミクスを捉えることはできません。気孔率が最小限の高性能DEDコンポーネントを開発するには、その場観察を使用して気孔の進化とダイナミクスのメカニズムを明確に理解する必要があります。
△ DED プロセス中の動的気泡挙動とメカニズムクイーン・メアリー大学工学・材料科学学部のチンナパット・パンウィサワス博士は、この研究の重要性を強調し、DED の可能性を最大限に引き出すには、気孔の進化を理解することが重要だと指摘しました。ここで、研究者らは、その場X線イメージングとマルチフィジックスモデリングを使用して、DED中の細孔発達のメカニズムを明らかにし、細孔の形成、移動、促進、成長、除去、および捕捉につながる5つのメカニズムを定量化しました。(i)噴霧粉末内の気泡が溶融プールに入り、その後循環または横方向に移動する。(ii)小さな気泡はプールの表面から逃げるか、より大きな気泡に融合するか、凝固前面に捕捉される。(iii)固体/液体界面の影響で、より大きな合体気泡はプール内に長時間留まる可能性がある。(iv)マランゴニ表面せん断流が浮力を克服し、より大きな気泡が飛び出すのを防ぐ。(v)大きな気泡が臨界サイズに達すると、プールの表面から逃げるか、DEDトラックに捕捉される。これらのメカニズムは、細孔最小化戦略の開発に役立ちます。
△ DED時の細孔形成メカニズム。 (画像提供: ユニバーシティ・カレッジ・ロンドン)
研究チームは、高度な現場X線イメージングとマルチフィジックスモデリングを採用し、DED中の溶融プール内の細孔形成と移動のダイナミクスを解明しました。彼らの研究結果は、DED によって製造される部品の多孔性を最小限に抑え、機械的特性を向上させるための貴重な洞察を提供します。この研究は、さまざまな分野でより安全で信頼性が高く、高品質な製造への扉を開きます。
パンウィサワス博士が指摘するように、この知識を活用することで、より強力で、より安全で、より信頼性の高い部品を生産できるようになり、付加製造を新たな可能性の領域に押し上げることができます。

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