北京科技大学の「Acta」：高スループットの付加製造により、材料強化の新しいメカニズムを発見！

出典: マテリアルサイエンスネットワーク

北京科技大学と北京材料遺伝子工学先進イノベーションセンターのQu Xuanhui氏とZhang Baicheng氏の研究チームは、独自に開発した連続勾配積層製造技術（https://doi.org/10.1016/j.addma.2021.101926）に基づき、材料組成の横断と機械的特性の迅速なスクリーニングを組み合わせることで、再び革新的な成果を達成しました。

銅鉄合金は、銅の高い電気伝導性と熱伝導性、優れた可塑性、鉄の高い強度を兼ね備えており、鉄道輸送、船舶、航空宇宙、国防・軍事産業において重要な応用の見通しを持っています。しかし、銅と鉄は準安定な非混和合金であり、高温では液相非混和ギャップがあります。銅鉄合金の製錬プロセス中に、2つの相は銅に富む領域と鉄に富む領域に分離し、組成の偏析を引き起こし、機械的性質が低下します。多くの学者は、精錬段階で超音波や磁気的方法を導入して、鉄銅の液滴を分解し、液相を均一に分散させて機械的特性を改善しようと試みてきました。しかし、精錬プロセスの冷却速度が遅く、液相の存在時間が長いため、小さな液滴がオストワルド熟成を起こし、材料の偏析が大きくなります。現在、精錬、変形、粉末冶金などに基づく銅鉄合金の製造方法では、ナノスケールの鉄粒子の分散分布制御を実現できません。

この問題を解決するために、研究チームは、高スループットの実験プラットフォームを使用して Cu10Sn-SS316L 上に全組成トラバーサル印刷を実行し、高スループットで準備されたサンプルの特性を評価し、合金システムの微細構造と機械的特性が組成によってどのように変化するかを発見しました。実験的スクリーニングにより、80%Cu10Sn-20%SS316L の組成で、印刷された部品の機械的特性は 2 つの原材料よりもはるかに高いことがわかりました (UTS>800 MPa、EL>9%)。

実験観察とシミュレーション研究を通じて、LPBFミクロ溶融池でのマルコーニ効果と溶融池末端の音波の作用により、二重液相がさらに分散・均質化されることがわかった。同時に、超高速冷却速度（106〜107k / s）下で、銅を多く含む液相はナノスケールでスピノーダル分解し、最終的に銅マトリックス中に分散したナノスケールのBCC相球状鉄粒子構造を形成し、材料の変形プロセスでピンニングの役割を果たして機械的特性を向上させた。この発見は、高エネルギービーム積層造形材料の設計と性能の最適化に新たなアイデアをもたらします。関連する研究結果は、「混和しない鋼と青銅のレーザー粉末床溶融結合：最適な成分の組み合わせのための組成勾配アプローチ」というタイトルで、トップクラスの材料ジャーナル Acta Materialia に掲載されました。北京科技大学の博士課程学生である温耀傑氏と中南大学の博士課程学生である呉暁科氏が、この論文の共同筆頭著者である。他の著者には中南大学の張立軍教授、インドとシンガポールの学者などが含まれる。

オリジナルリンク: https://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.119572

△ 全体の考え方図1 グラデーション印刷とテストサンプルの概略図。
図2 各成分の分布のXRDパターン。
図3 異なる組成における微細構造の統計法則と特徴的な構造図4 20、40、60、80 wt.% Cu10Sn成分のスライスの高倍率BSE写真図5 異なる組成における構造と配向の変化図6 BCC相の鉄に富むナノ球状構造の微細構造写真図7 機械的特性分布と破壊写真。
図 8 積層造形法と従来法で製造した Cu-Fe 合金の極限引張強度と伸びの比較図 9 位相場シミュレーション結果図 10 勾配方向に沿った CSI の変化図 11 (a) 80 wt. % Cu10Sn の引張試験片から抽出した TEM 明視野像。 (b) α-Cuとα-Feの界面のHRTEM像と(c) マトリックス内の積層欠陥の像。(d) (c)の積層欠陥のFFTおよびIFFT像。

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