積層造形アルミニウム合金の層間冷間加工と熱処理が気孔率と気孔閉鎖機構に及ぼす影響

出典: 金属積層造形に関する洞察

周知のとおり、航空宇宙産業は積層造形（AM）という新しい技術の導入の先駆者です。ただし、現在のアプリケーションは主に、地球上で製造される二次構造やその他の重要でないアプリケーションに焦点を当てています。将来のミッションでは、主要構造物やその他のミッションクリティカルなコンポーネントを含む、より多くの部品が AM 技術を使用して製造され、これらの部品も軌道上で製造されることが予想されます。宇宙分野では、AM はコスト削減とパフォーマンス向上の点で大きな可能性を示しています。

チタン合金 Ti6Al4V は、比強度と耐腐食性が高いため、航空宇宙分野のハイエンド用途でよく使用されます。しかし、宇宙用途やその他の要求の厳しい用途では、コンポーネントの信頼性要件が非常に厳しく、一貫した機械的および物理的特性を確保する必要があります。レーザー出力、スキャン速度などのビルドパラメータが部品の性能に与える影響に加えて、元の粉末供給の化学組成と酸素含有量も、印刷された部品の機械的特性の不一致を引き起こす可能性のある要因です。 ESA 研究チームは、高密度介在物が Ti6Al4V 部品の引張特性に与える影響と、粉末供給における汚染物質の発生源について報告しました。

実験計画 すべての Ti6Al4V サンプルは、粉末床選択的レーザークラッディングプロセスによって準備されました。下の図に示すように、引張試験片には X、111、Z 方向の 3 つの方向があります。印刷されたサンプルは、応力緩和アニールのために真空炉内に 670 °C で 5 時間置かれました。引張試験片の表面は、表面に付着した粒子を除去し、表面粗さを低減するために、セラミック粒子ブラスト表面処理プロセスにかけられました。試験片は最初に引張試験にかけられ、その後、破面分析とX線コンピュータ断層撮影分析にかけられました。引張試験片の表面は機械加工されていないことに注意する価値があります。比較テストのために、研究者は 2 つのバッチ、つまり最初のバッチ (汚染されているとも呼ばれる) と 2 番目のバッチ (汚染されていないとも呼ばれる) からサンプルを購入しました。
引張試験片の3つの方向
引張特性 第 1 ヒートサンプルと第 2 ヒートサンプルの降伏強度と引張強度は同等ですが、第 1 ヒートの Z 方向サンプルの強度結果はより分散しており、主に標準偏差が大きいことに反映されています。さらに、第 1 炉からの Z 配向サンプルの破断伸びは、第 2 炉からのサンプルの約 40% よりも大幅に低くなっています。

四角は引張強度、黒い点は降伏強度、最初のバッチ: 汚染あり、2 番目のバッチ: 汚染なし。2 つのバッチのサンプルの破断点伸び、最初のバッチ: 汚染あり、2 番目のバッチ: 汚染なし。
骨折の形態 最初の炉内の縦方向引張試験片（Z 方向）の破面は、内側の繊維領域、外側のせん断リップ、およびディンプルを備えた典型的なカップコーン引張破面を示しました。未融合欠陥の証拠はなかったものの、脆性破壊形態のタングステン粒子が発見されました。タングステンは、融点が高く靭性が低い硬い材料であるため、引張応力を受けると、これらの粒子が亀裂の発生源となり、亀裂の伝播を促進する可能性があります。しかし、2 番目の炉サンプルの破面ではタングステン粒子は検出されませんでした。

最初のサンプルの破壊形態とタングステン含有物
デメリット 最初の炉のサンプルでは、タングステン含有量の体積分率は約0.03％〜0.04％、粒子の直径は約27〜140ミクロン、Z配向サンプルの多孔率は約0.03％、X配向および111配向サンプルの多孔率は0.3％に近い。微細孔のサイズは 37 ～ 250 ミクロンの範囲です。最初の加熱サンプルと同様に、2 番目の加熱サンプルの欠陥濃度は約 0.2% で、サイズは 40 ～ 300 μm の範囲でしたが、含まれる粒子の濃度はごくわずかでした。

オリジナルパウダー ICP-OES を使用して元の粉末の化学組成を決定したところ、タングステンは検出されませんでした。これは、検出能力が限られていることと、溶融物中の元素が希釈されていたためと考えられます。しかし、X 線コンピューター断層撮影と走査型電子顕微鏡 (下図) の両方で、高密度のタングステン粒子が検出されました。これは、これら 2 つの方法を使用して、他の一般的に使用されている粉末検出方法の欠点を補うことができることを示しています。

この研究では、最初のバッチのサンプルを印刷する前に、同じ印刷装置でタングステン粉末が使用されていたため、タングステン介在粒子は主に印刷装置による相互汚染から発生しました。タングステンの介在物は TIG 溶接におけるよく知られた問題であり、溶接部品の故障の大きな原因であると考えられることがよくあります。さらに、耐腐食性や応力腐食割れなどの他の特性も影響を受ける可能性があります。
最初のサンプルの製造に使用された粉末、明るい灰色の粒子はタングステン粉末粒子です。結論と啓蒙 重要なアプリケーション部品の製造の場合、専門家は AM マシンごとに 1 つの材料のみを使用することを推奨しています。粉末の粒度分布、流動性、化学組成、形態をテストすることに加えて、走査型電子顕微鏡や CT などの高度な特性評価方法を使用して、必要に応じて粉末に現れる可能性のある微量汚染物質を検出できます。

参考文献:
[1] https://doi.org/10.3390/ma10050522ENDec.2023.117966

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