高性能純タングステンの付加製造：成形プロセス、微細構造の進化、機械的特性の調査

出典: Additive Manufacturing Master and Doctor Alliance

これまで、レーザー付加製造によって欠陥のない高性能の純タングステンを生産することは大きな課題でした。この研究では、天津大学、中南大学などが協力し、ナノ粉末を前駆体として使用し、間接積層製造技術と粉末押し出し印刷を通じて純タングステン部品の製造に成功しました。その後のグリーン体の脱脂焼結プロセスは、相対密度が高く、粒子が細かく、欠陥のないタングステンサンプルが得られるように最適化されました。サンプルの相対密度は焼結温度の上昇とともに増加します。レーザー粉末床溶融結合法や粉末押出印刷法などの直接および間接の付加製造技術によって製造された純タングステンの微細構造を比較しました。純粋なタングステンサンプルにおける微小亀裂の形成は、主にレーザー粉末床溶融によって生じる高い残留応力と、タングステンの延性-脆性遷移温度特性が高いことに起因します。最も高い圧縮強度（1290 ± 10 MPa）を有する純タングステンサンプルの焼結温度は 2000 °C と判定されました。他の焼結サンプルと比較すると、2000 °C で焼結された欠陥のないサンプルは、より高い相対密度 (99.1 ± 0.4%) を維持しながら、より細かい粒子 (9.8 μm) を持っています。 2000 °C で焼結されたサンプルの強度が高いのは、他の直接積層造形技術で得られ、他の温度で焼結されたサンプルと比較して、微粒子の強化と相対密度が高いことに関係しています。本研究で開発されたナノ粉末前駆体に基づく間接的な付加製造技術は、高性能タングステンやその他の耐火金属の付加製造に新たな技術的アプローチを提供します。

当該研究成果は、「付加製造による高性能純タングステンの実現：加工、微細構造の進化、機械的特性」というタイトルで国際誌「International Journal of Refractory Metals and Hard Materials」に掲載されました。公式アカウント「Additive Manufacturing Master and Doctor Alliance」をフォローして、付加製造の科学研究とエンジニアリングアプリケーション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。

タングステン（W）は、高融点（3420℃）、高密度（19.35g/cm3）、高硬度、低蒸気圧、低熱膨張係数、放射線遮蔽特性、優れた熱伝導性などの特徴を持つ高融点金属です。このユニークな特性の組み合わせに基づき、タングステンは、将来の核融合炉のプラズマ対向材料、コリメータ、高性能ロケットノズルなど、工学、軍事、医療、電子機器の分野で幅広い用途に使用されています。現在、タングステン部品は通常、粉末冶金 (PM)、化学蒸着 (CVD)、放電プラズマ焼結 (SPS) によって製造されています。しかし、タングステンは脆く、硬度が高いため、粉末冶金とそれに続く機械加工によって複雑な構造のタングステン部品を得ることは難しく、タングステンの用途はさらに制限されます。

ニアネットシェイプ技術である積層造形は、複雑な構造の部品を製造できるため、従来の方法の欠点を克服できる可能性があります。直接付加技術は、レーザー粉末床溶融法 (LPBF)、電子ビーム選択溶融法 (EBM)、レーザー溶融堆積法 (LMD) など、高エネルギー源 (レーザーまたは電子ビーム) を使用して金属粉末を直接溶融して固化します。この技術は、ニッケル基高温合金、AlSi10Mg合金、Ti-6Al-4V合金、Al7000シリーズ合金、316Lステンレス鋼など、幅広い適用性と適合性を備えているため、ほとんどの金属に適しています。しかし、直接積層造形法を使用して比較的密度が高く欠陥のない純粋なタングステン部品を製造するには、まだいくつかの技術的な課題が残っています。タングステンの高融点は、高い凝集エネルギーと高い表面張力に寄与し、溶融池内の液体の不安定性を容易に引き起こし、球状化の発生を促進します。さらに、延性脆性遷移温度 (DBTT) が高いタングステンは、特に直接積層造形プロセス中に、高い加熱速度と冷却速度 (103～106 K/s) によって生じる高い残留応力のために、割れが発生しやすくなります。したがって、直接積層製造技術に基づく研究のほとんどは、合金化、プロセスパラメータ、基板の予熱など、タングステンの相対密度を高めて欠陥を排除する方法に焦点を当てています。

△粉末成形と粉末直接積層造形の模式図では、相対密度の高い純タングステンとタングステン合金が得られますが、サンプルには粗大なタングステン粒子と微細構造の異方性が存在します。したがって、粉末冶金（高比重、欠陥のない純タングステン部品の製造）と付加製造（複雑な構造の製造）の利点を組み合わせることができれば、欠陥のない、複雑な構造を持つ微細粒のタングステン部品の製造が大幅に促進されるでしょう。これを基に、間接的な付加製造技術である粉末押出印刷（PEP）が開発され、付加製造技術と粉末冶金技術を組み合わせて純粋なタングステン部品を製造できるようになりました。 PEP テクノロジーは、特定のスキャン戦略に従ってノズルを使用して金属粉末と多成分バインダーのスラリーを押し出し、グリーンボディを形成します。高性能の焼結サンプルを得るには、グリーン部品をその後脱脂および焼結する必要があります。
△異なる焼結温度における純タングステンサンプルのSEM画像 △作製した純タングステン試験片の機械的特性の比較この研究では、湿式化学法で作製したタングステンナノパウダーを前駆体粉末として革新的に使用し、PEP技術を使用して純タングステン部品を作製することに成功しました。異なる温度で焼結した純タングステンサンプルの緻密化と微細構造の違いを詳細に研究しました。 LPBF と PEP によって作製された純タングステンの微細構造の違いを研究しました。純粋なタングステンサンプルの微細構造の進化と焼結メカニズムに関する洞察がさらに提示されます。公式アカウント「Additive Manufacturing Master and Doctor Alliance」をフォローして、付加製造の科学研究とエンジニアリングアプリケーション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。
△2000℃で焼結した純タングステンサンプルのSEM画像△微細構造の進化の模式図この研究では、間接積層造形（PEP）にタングステンナノパウダーを革新的に使用し、純タングステングリーンパーツの製造に成功しました。適切な脱脂および焼結プロセスを決定することで、相対密度が高く、粒子が細かく、欠陥のない純粋なタングステン部品の製造に成功しました。サンプルの相対密度は焼結温度の上昇とともに増加し、2000～2300℃で99.0%以上に達します。サンプルの相対密度が高い理由は、焼結活性の高いナノ粉末が焼結プロセス中に緻密化を促進できるためです。他の焼結サンプルと比較して、2000°C で焼結された純タングステンサンプルは、高い相対密度を維持しながら微細な粒子 (9.8 μm) を持ち、相対密度と粒径の最適な組み合わせとなっています。 2000°Cで焼結した純タングステンサンプルの最高圧縮強度は1290±10MPaで、2300°Cで焼結したタングステンサンプル（1138±8MPa）や直接積層造形で作製したタングステンサンプルよりも高く、これは微粒子と高い相対密度によるものと考えられます。

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