アーク溶融積層造形法による大型高強度圧力容器の微細構造、性能、実用化

出典: 金属積層造形に関する洞察

フィンランドのチームがワイヤアーク積層造形（WAAM）プロセスを使用して、重量300kgの高強度316Lステンレス鋼圧力容器を印刷することに成功したと報告されています[1]。高さ 1600 mm、直径 900 mm のこの容器は、石油およびガス業界で幅広い用途に使用できます。チームは圧力容器に対して浸透非破壊検査を実施しただけでなく、材料と形状に基づく性能もテストしました。印刷された製品と CAD モデルを比較すると、平均寸法精度は約 2 mm であることがわかりました。圧力容器は、設計された動作圧力の 10 倍の圧力でのみ損傷しました。この成果は、アークヒューズ積層造形プロセスを使用して高性能の大型部品を製造できることを証明するのに十分です。

圧力容器の機械的特性圧力容器の設計動作圧力は安全係数を考慮して 10 bar です。予備計算では、破裂は約90バールで発生すると予測されています。実際の製造では、コンポーネントは通常、動作圧力の 1.5 倍でテストする必要があることに注意してください。

圧力テストでは、容器に水を送り込み、容器の最も広い部分の直径を監視します。 66 バールでは大きな変化は見られませんでしたが、圧力が 80 バールを超えると、容器の形状が著しく変形し始めました。最終的に、111 バールで、容器の脚付近の亀裂から水が漏れているのが観察されました。この時点で容器の直径は7%拡大しました。研究者らは溶接技術を使って亀裂を修復し、容器の二次試験を実施した。その結果、脚の部分に再び破損が発生しました。これは、脚の部分が構造上の弱点であり、最初の破損は製造上の誤りによるものではないことを示しています。
△ 重量300kgの高強度圧力容器、出典：[1]
微細構造WAAM プロセス材料は、急速凝固と固有の周期的加熱という物理的な冶金プロセスを経ますが、印刷中の熱履歴は他の溶融ベースの付加製造プロセスとは異なります。そのため、材料内部の微細構造や印刷部品の機械的特性も独特になります。

これまでの研究結果[2]では、印刷層と基板間の距離が長くなると、熱の蓄積と周期的な加熱がより顕著になるため、印刷高さの増加とともに冷却速度が低下することが示されています。低速または中速の冷却速度では、印刷された部品の微細構造は δ フェライトとオーステナイトで構成されますが、高速の冷却速度では、δ フェライトとオーステナイトとともに σ 相 (CrFe) が微細構造に現れます。熱力学理論に基づくと、σ相は600〜900℃の間でフェライトとオーステナイトの界面に析出します。温度が1050℃を超えると、σ相はオーステナイトマトリックスに徐々に溶解します。印刷部品の上部領域では、冷却速度は遅いものの、温度が1050℃を超える時間はまだ短いため、σ相はオーステナイトマトリックスに完全に溶解していません。

冷却速度が低下すると、デルタフェライト含有量は、たとえば 14.5% から 16.2% および 17.3% に増加します。さらに、高エネルギー入力により熱の蓄積が増加し、粒子が成長する時間が長くなり、一次樹状突起の間隔が広がります。

引張試験片の機械的性質<br /> 印刷された部品の降伏強度と引張強度は約 330 MPa と 550 MPa です (下図参照)。鍛造316L鋼と比較すると、両者の降伏強度は同程度であるが、前者の引張強度（鍛造の場合約600MPa [3]）は低くなる。破壊形態を分析した結果、主な破壊メカニズムは、引張プロセス中に応力集中によりデルタフェライト付近で微小空隙が核生成し、より大きな欠陥に凝集して延性破壊を引き起こすことであると結論付けられました。
△伸長曲線、出典：[2]
商用化の課題<br /> 設備の観点から見ると、WAAM プロセスに必要な設備は非常にシンプルで、自動溶接ユニットと電源で構成されています。そのため、金属業界の多くの企業はこれらの施設を自社で所有しています。しかし、付加製造された圧力容器は、既存の規格がないため、すぐには市場に登場することはないでしょう。圧力容器は圧力機器に関する関連指令に準拠する必要があり、欧州規格はワーキンググループを結成して取り組んでいる段階にあります。つまり、設計と製造の基準が整うまでには数年かかることになります。

著者のコメント: WAAM プロセスを使用する場合、ユーザーは、異なる材料の相変化特性に応じて、ビルド高さに沿った冷却速度と熱蓄積の違いにより、ビルド高さに沿って微細構造の不均一性が生じる可能性があることを考慮する必要があります。

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