高スループット調製に基づく積層造形のための材料組成設計

出典: Metal Circle 著者: Zhang Baicheng、Zhang Wenlong、Qu Xuanhui

新しい製造技術である積層造形は、航空宇宙、輸送、バイオメディカルなどの分野に革命的な変化をもたらしました。しかし、現在積層造形に使用されている金属材料は依然として従来の合金をベースにしており、一部の材料は高エネルギービーム処理に適しておらず、性能にはまだ改善の余地があります。現在の積層造形用特殊材料の開発は、従来の試行錯誤の手法から脱却しておらず、非効率的であり、これが積層造形材料の性能向上を制限するボトルネック問題となっている。本稿では、鋼、チタン合金、アルミニウム合金材料の積層造形の現状と問題点について論じ、材料開発と設計における積層造形の高スループット調製および特性評価技術の応用を列挙する。積層造形の高スループット調製の原理と特徴と合わせて、本稿では最後に、材料開発における積層造形の高スループット調製および特性評価技術の機会と課題を説明し、積層造形の主要材料開発と組成最適化の今後の発展方向を展望する。

勾配材料調製原理、勾配サンプルの比較、および一般的なハイスループット特性評価方法の概略図
傾斜材料調製原理の概略図。指向性エネルギー堆積 (DED) (a)、選択的レーザー溶融 (SLM) 層間粉末交換 (b)、SLM 傾斜ホッパー粉末混合プロセス (c)、およびそれらのサンプル比較 (df)。一般的な高スループット分析方法。高スループット SEM による傾斜サンプルの構造 (原子分率) の特性評価 (g)、および高スループット XRD による傾斜サンプルの相組成の特性評価 (h) (図 8e の挿入図は、材料の傾斜遷移を示しています。FGM - 機能傾斜材料)

要約と展望<br /> 付加製造技術は急速に発展していますが、従来の材料とデータベースの適用不可により、付加製造材料の開発と応用が制限されています。従来の高スループット調製方法と比較して、付加製造はラピッドプロトタイピングの特徴と、連続勾配またはミクロンレベルの個別サンプルを調製する能力を備えており、高スループット調製において優れた性能を発揮します。本稿では、材料組成の観点から積層造形材料の開発状況と重要な問題をまとめ、材料組成の最適化、新しい合金材料の製造と開発、組成と組織構造の研究における高スループット積層造形技術の大きな応用可能性を示しています。しかし、依然として緊急に解決する必要がある以下の問題に直面しています。

（１）積層造形法の制御可能な勾配変化は、離散サンプルよりも豊富な情報を提供する。しかし、現在の高スループット特性評価法では、依然としていくつかの離散領域を使用して特性評価を行っている。試験領域は、特性評価法のサンプリング領域のサイズによって制限され、組成の変化は性能特性評価の精度に影響を与える。完全な勾配連続変化の性能を正確に特性評価することは不可能である。特性評価方法の精度を向上させ、正確な勾配連続特性評価方法を確立することは、依然として課題となっています。

（２）積層造形材料は一般に優れた性能を示すが、印刷可能な材料の種類の制限により、積層造形の高スループット調製および特性評価における一部の材料の適用に影響が出る。特性が大きく異なる材料の高密度かつ完璧な印刷を実現し、連続的で信頼性の高いグラデーション遷移を形成することは、依然として困難です。

（３）積層造形工程における気孔などの欠陥は、材料の性能に重大な影響を及ぼす。異なる組成の合金の積層造形工程パラメータはしばしば不一致であり、積層造形傾斜材料の製造の複雑さをある程度増大させる。信頼できる材料の組成、構造、特性の関係を確立することは、依然として困難です。

付加製造の高スループットの準備と特性評価は、材料設計において依然として大きな課題に直面していますが、材料組成設計においては大きな可能性を秘めていることが証明されています。材料面では、高スループットの積層造形技術により、積層造形用新合金材料の析出相制御、等軸結晶構造形成、層間異質構造設計の問題を解決し、新世代の積層造形合金材料を開発し、ミクロからマクロまでの全体設計を通じて積層造形材料の性能ポテンシャルを徹底的に探求し、航空宇宙分野の主要部品の材料性能をさらに向上させることが期待されています。技術面では、新たな高スループットの積層造形プロセスの開発、新たな積層造形材料の発見、勾配材料特性評価手段の継続的な改善により、正確で効率的かつ安定した高スループット特性評価機能を実現します。材料の組成、構造、性能を確実に結び付ける積層造形材料遺伝子データベースを確立し、効率的な新積層造形材料の発見を実現することが期待されます。

高スループット調製に基づく積層造形のための材料組成設計

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