リンシンと西北工科大学4校の共同出版 | レーザーハイブリッド積層造形法で製造された超高強度鋼の微細組織と機械的特性

出典: Additive Manufacturing Master and Doctor Alliance

35CrMnSiA は、構造シェルなど、幾何学的に規則的な構造と複雑な拡張機能を備えた主要コンポーネントに広く使用されている超高強度鋼です。レーザーハイブリッド積層造形 (LHAM) は、従来の製造と積層造形の利点を組み合わせた高度な製造技術です。たとえば、鍛造と指向性エネルギー堆積 (DED) を組み合わせた LHAM テクノロジーでは、まず基本構造を規則的な幾何学的形状に鍛造し、DED を使用して複雑な拡張部品を製造します。この LHAM は、これらのコンポーネントを迅速かつコスト効率よく製造できる可能性を秘めています。しかし、LHAM によって製造された 35CrMnSiA 鋼のさまざまな領域における微細構造の形成メカニズムとそれが全体的な引張特性に与える影響は不明のままであり、その応用は大きく制限されています。

この問題を解決するために、西北工業大学凝固技術国家重点実験室と工業情報化部金属高性能積層造形と革新設計重点実験室の林欣教授のチームは、華中科技大学、長安大学、南方科技大学のチームと共同で、最新の研究成果「レーザーハイブリッド積層造形法で製造した超高強度鋼の微細構造と機械的特性」をトップの国際ジャーナル「Materials Science and Engineering: A」に発表しました。彼らは、ベース材料として鍛造35CrMnSiA鋼を使用し、指向性エネルギー堆積法（DED）を利用して欠陥のないLHAM部品を製造しました。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。

図 1. 35CrMnSiA 鋼のレーザーハイブリッド積層造形 (LHAM) の材料と実験の詳細。(a) 35CrMnSiA 鋼粉末の形態と粒度分布。(b) LHAM プロセスの概略図。(c) LHAM で製造した 35CrMnSiA 鋼サンプルと引張試験片および DIC 試験片の準備。引張試験片 (d) と DIC 試験片 (e) の寸法 (mm)
LHAM が製造する 35CrMnSiA 鋼の微細構造は位置に依存します。レーザー蒸着領域には内部炭化物と境界分布炭化物を含むフェライトが含まれ、基板領域にはマルテンサイトが含まれます。熱影響部は、2 つの部分の間に勾配のある微細構造を示します。堆積帯の微細構造は主に堆積時の凝固挙動と熱履歴の影響を受けますが、熱影響帯は主に再結晶の影響を受けます。微細構造の不均一な特徴は機械的特性に大きく影響し、「バレル効果」につながります。つまり、LHAM が製造する 35CrMnSiA 鋼の引張特性は、最も弱いレーザー堆積領域に依存します。 LHAM が製造する 35CrMnSiA 鋼の最大引張強度と伸びは、それぞれ 959MP と 15.2% です。この研究は、ハイブリッド製造された超高強度鋼の微細組織を制御し、特性を最適化するための基礎を築きます。

図2. LHAM で製造された 35CrMnSiA 鋼の微細構造 (a) 再構成オーステナイト粒の EBSD 画像、(b) 粒微細構造の位置と特性の関係、(c)～(d) LDZ、(e)～(f) HAZ、および (g)～(h) WSZ における異なる倍率での典型的な微細構造図4. 破壊分析図5. 異なる冷却速度で DED によって準備された 35CrMnSiA 鋼の微細構造の進化図6. 熱処理中の微細構造の進化の模式図この研究では、35CrMnSiA 鋼の熱影響部とレーザー堆積部の組成、相、微細構造を調査しました。さらに、LHAM社が製造した35CrMnSiA鋼の機械的特性と変形挙動を調査した。主な結論は次のとおりです。

（１）熱影響部とレーザー蒸着部はともに主にBCC相で構成されており、FCC相はごく少量存在する。マトリックスは主にラスマルテンサイトを特徴とし、熱影響部にはフェライトと球状炭化物が存在します。堆積帯は主に、少量のほぼ等軸のフェライトとラスフェライトで構成されており、内部と境界の両方に炭化物が分散しています。溶融線の近くでは、HAZ の結晶粒構造はラスマルテンサイトからラスとほぼ等軸の結晶粒の組み合わせへと変化し、最終的に完全に微細化された等軸の結晶粒へと発達します。熱影響部は主に、粒界に沿った炭化物に富むほぼ等軸のフェライトで構成され、マトリックス内にナノスケールの炭化物が析出します。

（２）堆積地域の微細構造の形成は主に熱挙動の影響を受ける。熱が継続的に入力されると冷却が遅くなり、炭素が広範囲に分散して拡散し、パーライトのコロニーが形成されます。再結晶は主に熱影響部の微細構造を制御し、マトリックス領域は多層浸透、境界域焼鈍、長時間焼戻しの複雑なシーケンスを経ます。従来の DED 処理パラメータを使用して LDZ 構造をマルテンサイトに変換することは困難です。

（３）レーザー蒸着部の降伏強度は７４６ＭＰａ、引張強度は１００３ＭＰａ、伸びは１９．６％であった。 LHAM が製造する 35CrMnSiA 鋼は、降伏強度が 708MPa、引張強度が 959MPa、伸びが 15.2% です。強度は鍛造品の約半分です。全体として、超高強度鋼の LHAM は依然として困難な課題です。異なる領域で機械的な不一致が発生し、引張変形中にひずみの分布が不均一になり、弱い領域でひずみが集中して破損が発生します。 LHAM が製造する 35CrMnSiA 鋼は、機械的特性の点で顕著な「バレル効果」を示します。

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