MIT は、金属 3D プリント部品のクリープ性能を向上させる新しい方向性凝固熱処理プロセスを開発しました。

2024年1月16日、アンタークティックベアは、マサチューセッツ工科大学（MIT）の研究者が、3Dプリントされた金属部品の強度を高めるために使用できる新しい熱処理方法を開発したことを知りました。
この研究は、「付加製造された Ni 基超合金の方向性再結晶」と題する論文として、Additive Manufacturing 誌に掲載されました。

論文リンク: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2214860422005875?via%3Dihub
新しい熱処理プロセスにより、3D プリントされた材料の微細構造が変化し、耐久性と熱衝撃耐性に優れた部品の製造が可能になります。このプロセスにより、ジェットエンジンやガスタービン用の高性能ブレードやベーンを3Dプリントする新たな可能性が開かれ、燃料消費を削減し、エネルギー効率を向上させる斬新な設計が可能になると伝えられている。
積層造形に使用されるN738LC高温合金を熱処理すると、合金構造内の粗い柱状結晶が元の印刷材料の細粒の内部構造に置き換わると報告されています。熱間等方圧プレス（HIP）などの既存の後処理方法を使用して、より大きな粒子と高密度を備えた強化された金属構造を生成することもできます。しかし研究者らは、HIP処理された合金は継続的な機械的ストレスと高温下では依然として変形（クリープ）する可能性があると主張している。 MIT チームの斬新な後処理により、合金のクリープ傾向は最小限に抑えられました。
「近い将来、ガスタービンメーカーが大型の積層造形工場でブレードやベーンを印刷し、当社の熱処理技術を使って後処理するようになるだろう」と、MITの航空宇宙工学のボーイングキャリア開発教授であるザカリー・コルデロ氏は語る。「3Dプリントにより、タービンの熱効率を高める新しい冷却構造が実現し、同じ量の電力を生産しながら燃料消費量を減らし、最終的には二酸化炭素排出量を減らすことができるようになる。」
△ MIT金属3Dプリント部品の後処理テスト段階。写真提供: ドミニク・デイビッド・ペチー/MIT
クリープ防止熱処理<br /> 研究チームが開発した新しい熱処理技術は、方向性再結晶化の一種です。この熱処理技術は、材料（この場合は、レーザー粉末床融合 3D プリント IN738LC ロッド）を制御された速度で誘導コイルに通して、材料の微細粒子をより大きく、より強く、より均一な結晶構造に融合します。
試験中、各棒はゆっくりと水槽から引き出され、異なる速度でコイルを通過し、その過程で金属は1,200°Cから1,245°Cに加熱されました。各サンプルは、1 mm/時間から 100 mm/時間の範囲の速度で「ホットゾーン」を通過しました。
研究者らは最終的に、ロッドを1,235°Cの温度と2.5mm/時の速度で引き伸ばすと、急激な熱勾配が生じ、3Dプリントされた材料の微細構造の最適な変化が引き起こされることを発見しました。
加熱処理が完了した後、研究チームは光学顕微鏡と電子顕微鏡を使用して微細構造を検査しました。これらの観察により、3D プリントされた金属部品の表面の微細構造に柱状結晶があり、クリープ耐性が大幅に向上することが確認されました。
「この材料の元々の構造は、折れたスパゲッティのように、転位と呼ばれる欠陥でいっぱいです」とコルデロ氏は付け加えた。「材料を加熱すると、これらの欠陥は消えて再構成され、粒子が成長します。私たちは、これらの欠陥を継続的に減らし、より小さな粒子を促進することでこれを実現します。このプロセスは再結晶化と呼ばれます。」
さらに研究者らは、棒状のサンプルを引き抜く速度と温度を変えることで、特定の粒子サイズと配向を実現できることを発見した。このレベルの制御は、特定の構造特性を持つ金属部品を 3D プリントしたい工業メーカーにとって理想的です。
実際、研究者たちは、このプロセスにより、メーカーはよりエネルギー効率の高い陸上ガスタービンやジェットエンジン向けに、最適化された新しいブレードとベーンの形状を作成できるようになると考えています。
△ MITテストセットアップ。画像はMITより。
金属3Dプリントの後処理<br /> レーザー粉末床融合 3D 印刷は、最も広く使用されている金属 3D 印刷プロセスの 1 つであり、細孔や鍵穴のある金属部品を製造できます。これらの構造的特徴により、3D プリントされた金属部品の強度が弱まります。
これらの欠陥を除去するために、HIP 後の治療がよく使用されます。このプロセスは MIT チームのプロセスとは異なり、3D プリントされた金属部品に最大 2000°C の温度と最大 200MPa の等方圧を加えます。 HIP は材料の内部構造の多孔性を低減し、処理中に部品の物理的特性を改善します。
2019年、ドイツの3DプリントサービスプロバイダーであるFIT Additive Manufacturing Group（FIT AG）は、スウェーデンの高圧技術専門企業Quintus TechnologiesからHIPシステムを買収しました。このシステムは、同社の 3D プリント金属部品が後処理後に品質保証テストに合格することを保証するために使用されます。
FIT AGのCEOであるCarl Fruth氏は次のようにコメントしています。「5年間にわたり、当社は250社の国際的な産業顧客の要件を評価し、HIPが多くの品質問題を解決できることを発見しました。積層造形と高温高圧後処理を組み合わせることで得られた結果は非常に有望です。このパートナーシップから当社の顧客が大きな利益を得ることは間違いありません。」
後処理は、3D プリントされた金属部品の表面仕上げを改善するためにもよく使用されます。一方、バーモント州に拠点を置く金属 AM 企業 A3DM Technologies とスペインの先端技術企業 GPA Innova は提携し、AM 金属部品の後処理技術を進化させています。共同研究契約に基づき、両社は3Dプリントされた金属プロトタイプ向けのGPA Innovaの「DryLyte」乾式電解研磨プロセス向けに最適化されたプロセスパラメータを開発しました。

MIT は、金属 3D プリント部品のクリープ性能を向上させる新しい方向性凝固熱処理プロセスを開発しました。

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