Acta Metallurgica Sinica: 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: マルチスケールメカニクス

付加製造は、航空宇宙、輸送、バイオメディカルなどの分野に大きな変化をもたらした革新的な新しい製造技術です。しかし、金属材料を使用した現在の積層造形は依然として従来の合金に依存しており、その一部は高エネルギービーム処理に適していないため、性能向上の余地が残されています。現在、積層造形用の特殊材料の開発は依然として従来の試行錯誤の方法に依存しているため、効率が低く、積層造形材料の性能向上を制限する主要なボトルネックとなっています。ハイスループット技術は、最小限の実験で最大限の材料データを取得し、新材料の研究開発を大幅に加速し、完全な新材料開発方法を形成します。ハイスループット材料開発プロセスと従来の試行錯誤プロセスの比較を図 1 に示します。北京科技大学の張百成氏らは、積層造形用の鋼、チタン合金、アルミニウム合金材料について、現状と問題点を含めて検討した。材料開発と設計におけるハイスループット調製および特性評価技術の応用を、ハイスループット調製の原理と特性と組み合わせて列挙します。最後に、材料開発における機会と課題について議論し、積層造形における主要な材料開発と組成最適化の将来の開発方向を展望します。

図 1 ハイスループット材料開発プロセスと従来の試行錯誤による材料開発プロセスの比較図 2 は、材料構成の観点からアルミニウム合金、チタン合金、鋼の組織構造の進化を簡単にまとめ、ミクロ、メソ、マクロレベルでの積層造形合金材料が直面するいくつかの重要な問題を紹介し、これらの問題を解決する上でのハイスループット積層造形材料設計方法の独自の利点について説明します。高スループットの積層造形による傾斜試料の作成と特性評価、積層造形用の新しい合金材料の開発と最適化、そしてさまざまなスケールでの積層造形材料が直面する科学的課題の解決により、航空宇宙の主要部品の性能がさらに向上することが期待されます。

図2 高スループット積層造形により、主要な航空宇宙材料の性能が向上図3 アルミニウム合金の凝固曲線と結晶粒成長の模式図、積層造形法で製造されたアルミニウム合金の修正前後の結晶構造形態、および高スループットに最適化されたアルミニウム合金の組成範囲
アルミニウム合金は、通常、鍛造などの伝統的な方法で成形され、優れた機械的特性を備えています。合金システムは大きく、さまざまな元素と複雑な第2相を備えています。ただし、Alは酸素に敏感で、エネルギー吸収率が低く、凝固収縮率が高く、熱伝導率が高いため、高エネルギービーム積層造形による成形は困難です。記事では、近年の研究では、核剤の添加がアルミニウム合金の印刷性と機械的特性を向上させる効果的な組成変更方法であることが示されていると指摘している。図3(a)と(b)は、変形したアルミニウム合金の高エネルギービーム積層造形プロセス中に、温度勾配の存在により、材料内部に構築方向と平行なよく発達した柱状結晶が形成されることを示しています。図3(c)は、Zrの添加により溶融池反応でAl3Zrが形成され、マトリックスAl相との格子不整合が0.52%未満であることを示しています。高い冷却速度では、凝固前面に多数の低エネルギー障壁の不均質核生成サイトが形成され、微細で亀裂のない不均質等軸結晶構造の形成が誘発されます。図3(d)は、Nb含有量が1.3%～2.4%（原子分率）の場合、材料が柱状結晶から等軸結晶に変態し、結晶粒が著しく微細化されることを示しています。

図 4 積層造形された α、α+β、β チタン合金の微細構造と、積層造形されたチタン合金の水平方向および構築方向における機械的特性の範囲図 5 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図 4 は、さまざまな元素の添加によって形成されたチタン合金の微細構造をさらに示しています。 Al および Si 元素の添加は α 相の安定性に有益であり、図 4(a) に示すように hcp 構造の針状 α/α' チタン合金を形成します。図 4(b) は、V、Cr、Mo、および Nb 元素の添加が α→β 転移温度を下げ、α+β 相領域を増やすのに有益であることを示しています。積層造形により、微細な α+β 2 相構造が得られます。図 4(c) は、β 相を室温で安定して保持できるように β 安定化元素をさらに添加し、最終的に積層造形によりハニカム β 構造チタン合金を形成します。チタン合金の等軸結晶粒組織の制御と鋼の不均質組織設計の詳細については、元の記事をお読みください。

図 5 は、傾斜材料の調製原理、傾斜サンプルの比較、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を示しています。図 5 (a) ～ (c) は、積層造形技術で組成傾斜材料を調製するために使用される DED および SLM 技術のプロセス原理です。図5(d)～(f)は、異なる方法で調製された勾配サンプルを比較したものです。ハイスループット特性評価技術には、ハイスループットX線回折（XRD）、ハイスループット硬度試験、ハイスループット走査型電子顕微鏡（SEM）、後方散乱回折（EBSD）などがあり、組成特性が離散的に変化する多数のサンプルや連続的に勾配が変化するサンプル（図5（g）および（h）に示す）の材料情報や性能情報を迅速に取得できます。

関連する研究成果は、「高スループット調製に基づく付加製造のための材料組成設計」というタイトルでJournal of Metallurgy（2023、59（1）：75-86）に掲載されました。論文の筆頭著者および責任著者はZhang Baichengです。

論文リンク: http://qikan.cqvip.com.era.lib.s ... etail?id=7108777504

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