レーザー積層造形ジルコニウム系金属ガラスの緻密化、プロセス制御、機械的特性

出典: Additive Manufacturing Master and Doctor Alliance

バルク金属ガラス (BMG) は優れた機械的特性を持つことで知られており、さまざまな分野で機械システムや機能システムの性能と効率を向上させることが期待されています。バルク金属ガラス (BMG) には大きな可能性があるにもかかわらず、従来の製造プロセスで製造できる部品のサイズが小さいため、その商業的応用は依然として制限されています。従来の方法では、非晶質構造を形成する鍵となる BMG の製造に必要な高い冷却速度 (10-106 K/s) を達成することが困難です。付加製造技術、特に粉末床溶融結合法 (LPBF) と指向性エネルギー堆積法は、必要な冷却速度を提供できることから注目を集めています。これらの技術の急速な発展により、大型で複雑な形状の BMG 部品の製造が可能になり、ガラス成形機の限界を打ち破り、BMG の商業的応用への新たな道が開かれました。

しかし、理想的な機械的特性（つまり、高密度かつ完全な非晶質）を持つバルク金属ガラス（BMG）を作製するために、積層造形技術を通じて処理パラメータを制御する方法は依然として課題となっています。ニューサウスウェールズ大学のジェイミー・クルジック教授率いる研究チームは、シドニー大学と共同で、LPBF製BMGの加工技術、微細構造、性能の関係について詳細な研究を行い、バルク金属ガラスBMGの製造技術と応用の展望を研究した。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。

研究チームは、BMG のガラス構造と機械的特性を理解し、制御することを目的として、2 種類の粉末 (1 つは粗くて酸素含有量が少ない粉末、もう 1 つは細かくて酸素含有量が多い粉末) が異なるレーザー出力とスキャン速度でどのように機能するかを研究しました。結果は、特定の組成（Zr59.3Cu28.8Nb1.5Al10.4）のバルク金属ガラス（BMG）に対して、高密度で完全な非晶質構造（X線回折によって確認）を生成するための大きな処理ウィンドウがあることを示しています。このプロセスウィンドウ内で、マイクロ硬度、降伏強度、塑性ひずみなどのさまざまな BMG ガラス構造と機械的特性を得ることができます。
図 1. (a) 粒子サイズ 10-45 μm の AMZ4-F BMG 粉末の SEM 画像 (b) 粒子サイズ 25-63 μm の AMZ4-C BMG 粉末の SEM 画像 (c) 鉄基板上に印刷された正方形のサンプル、および (d) 1 つの正方形に 4 つの圧縮試験サンプルを配置した概略図図 2. 異なるプロセスパラメータでの AMZ4-C 粉末 LPBF の XRD 非晶質度と相対密度 (%)
図 3. AMZ4-C 粉末の LPBF でさまざまなスキャン速度とレーザー出力で作製した BMG サンプルの研磨面 (印刷方向と平行) の多孔性と未融合欠陥。青枠で囲まれた 8 つの領域は、DSC と圧縮試験を使用してさらに分析されました。図 4. (a) 完全 XRD アモルファスサンプル (200 W、4000 mm/s) と (b) AMZ4-F 粉末を使用して作製したアモルファスサンプル (250 W、2500 mm/s) の HAZ の BSE-SEM 後方散乱画像。 (c) と (d) は、それぞれ (a) と (b) の四角で囲まれた領域の高倍率画像を示しています。この結果は、より広い処理ウィンドウ内で LPBF プロセスパラメータを調整することで、バルク金属ガラス (BMG) の微細構造と機械的特性をカスタマイズできることを示しており、この材料を産業界で幅広く応用するための重要な技術的基礎を提供します。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5. LPBFで製造したBMGサンプル（0.6 mm×0.6 mm）の微小硬度マップと対応するスキャン速度およびレーザー出力図6. 本研究で得られたLPBF AMZ4-Cサンプルの機械的特性とLPBF BMGの他の報告との比較関連する研究結果は、「レーザー粉末床溶融結合プロセス制御によるZrベースのバルク金属ガラスの優れた機械的特性」というタイトルで、国際的なトップジャーナルであるActa Materialiaに掲載されました。

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