金属および合金の粉末ベースの積層造形におけるマルチスケール欠陥の原因と修正方法

出典: 航空エンジン情報

積層造形 (AM) 技術が提供する優れた設計の自由度により、複雑な形状の部品を、事前に定義されたコンピュータ支援設計 (CAD) モデルに基づいて層ごとに簡単に製造できます。さまざまな AM テクノロジが開発され、航空宇宙、医療、自動車などの重要な産業用途向けの高性能コンポーネントの設計と製造に広く使用されています。

粉末ベースの積層造形法で製造された金属および合金におけるマルチスケール欠陥の種類には、サイズ欠陥、表面品質欠陥、微細構造欠陥、組成欠陥などがあります。香港理工大学、西北理工大学、香港中文大学の傅明旺教授らは、金属や合金の粉末ベースの積層造形におけるマルチスケール欠陥を提案し、さまざまな欠陥の形成の潜在的なメカニズムと制御方法について説明しました。また、金属積層造形におけるさまざまな欠陥の破壊的および非破壊的な検出方法をまとめ、マルチスケール積層造形欠陥モデリングの研究の進捗状況を紹介し、さまざまな欠陥が積層造形部品の引張および疲労機械特性に与える影響のメカニズムを分析および議論しました。

マルチスケール欠陥分類の概要<br /> 金属 AM 部品の性能は、表面品質と微細構造特性に大きく依存します。表面品質と微細構造に影響を与える主な要因には、材料特性、設計関連要因、プロセスパラメータ、システム設定などがあります。プロセス構成が不適切だと、最終的な AMed コンポーネントに気孔や亀裂などの欠陥が発生する可能性があります。既存の金属 AM 文献に基づくと、AM された金属部品および構造には、ミリメートルからナノメートルスケールに及ぶマルチスケールの欠陥が特定されています。図に示すように、マルチスケール欠陥は主に、形状関連欠陥、表面完全性関連欠陥、および微細構造欠陥の 3 つのカテゴリに分類されます。特に、我々はまず、テクスチャ化された柱状粒子、複合構造の欠陥、および転位セルが AMed コンポーネントに遍在し、AMed コンポーネントのパフォーマンスに大きな影響を与えることを実証します。

粉末ベースの積層造形金属および合金におけるマルチスケール欠陥の分類
1ジオメトリ関連の欠陥<br /> 幾何学的欠陥は主に、製造された構造と理想的な CAD モデル間の寸法および幾何学的偏差から生じます。形状関連の欠陥には、主に部品の変形や剥離が含まれます。剥離は AM プロセスにおける独特の亀裂挙動であり、AM の層ごとの製造モードの性質によって決まります。典型的な部品の変形と剥離を図(ac)]に示します。部品の変形や剥離は、空間的な温度勾配から生じる巨視的な残留応力によって引き起こされます。

たとえば、熱サイクル中の部品の不均一な膨張と収縮、および不均一な非弾性ひずみなどです。残留応力に関連する変形に影響を与える要因は多数あります。レーザースポットサイズ、基板の厚さ、予熱などの装置関連の要因はすべて、このような欠陥を引き起こす可能性があります。私たちの貴重な研究では、マイクロ LPBF (直径 25 μm の細いレーザービームを使用) と従来の LPBF によって生成されたカンチレバービームの歪みを比較しました。図 (ad) に示すように、微細レーザービームによって引き起こされる歪みは、より顕著なその場応力緩和アニーリングにより小さくなります。したがって、マイクロ LPBF システムでは、高い幾何学的精度を備えた部品を生産できる可能性が高くなります。さらに、Corbin らは、基板の厚さと予熱が DED Ti6A14V の変形に及ぼす影響を研究しました。彼らは、基板の予熱後、薄い基板の歪みは効果的に減少したが、厚い基板の歪みは増加したと結論付けました。したがって、残留応力を低減するためには、適切な基板の厚さと予熱温度を選択することが重要です。

レーザー出力、スキャン速度、スキャン層の厚さ、スキャン戦略などのプロセスパラメータが残留応力と部品の変形に与える影響を研究しました。 Mugwagwa らは、走査速度とレーザー出力の増加により、残留応力による LPBFed カンチレバーの変形が全体的に増加する傾向にあると報告しました。一方、層厚が増加すると変形は減少しますが、エネルギー密度の低下により多孔性が増加することが報告されています。 Salem らは、ブリッジ曲率法を使用して、スキャン戦略が歪みに与える影響を調査しました。結果は、スキャンベクトルを短くすることで歪みの振幅が減少することを示しました。同様に、PromoppatumとYaoは、Ti6A14VのSLMでスキャン長をそれぞれ5mmと1mmにすると、残留応力が185MPaから90MPaに減少したと報告した（図（e））。プロセスパラメータが残留応力に与える影響に関する同様の傾向も、で検討されています。

部品の変形の設計関連要因には、基板上の部品の向きと位置、部品の形状、フィーチャサイズ、および直接金属レーザー焼結 Ti6A14V 部品の幾何学的精度が含まれます。結果は、フィーチャのサイズが大きくなるにつれて幾何学的誤差が減少し、一定値に収束することを示しており、サイズに依存する収縮が幾何学的不正確さの原因であることを示しています。さらに、複雑な構造ではオーバーハングや突出した特徴がよく見られますが、底部のサポートがないため AM で製造するのは困難です。PBF プロセスでは、粉末ベッドがこれらの構造のサポートとして機能します。しかし、粉末床と固体の張り出し構造との間の電気伝導率の差により、集中した残留応力が発生し、構造の反り、カール、変形を引き起こす可能性があります。したがって、コンポーネントにオーバーハングまたは突出部分がある場合は、サポート構造を設計する必要があります。優れたサポート構造設計は、オーバーハング機能をサポートするだけでなく、基板への適切な熱の流れを確保し、高い残留応力による大きな変形を防ぐこともできます。

2表面の完全性に関連する欠陥<br /> 表面完全性欠陥とは、CAD 設計モデルの理想的な輪郭から外れた、凹凸のあるまたは不規則な表面の特徴のことです。 AMed 部品の表面完全性に関連する欠陥を引き起こす主な 4 つの要因、すなわち、段差効果、部分溶融粉末、球状化効果、および表面亀裂についてまとめます。これらの欠陥により、機械加工などの従来の製造プロセスと比較して表面粗さが大きくなり、品質と精度が低下しますが、これは AM プロセスに固有の制限の 1 つです。

階段状効果とは、製造解像度の制限により、曲面や傾斜面が徐々に近づくことを指します。階段効果によって生じる平均表面粗さ（Ra）は、層の厚さと構築方向に対する傾斜角度（BD）によって決まります。層の厚さが増すと、階段効果が顕著になり、表面粗さが大きくなります。 AM の格子構造では、張り出した支柱を持つこの複雑な形状により、階段効果が発生しやすくなります。 Alketan らは LPBF を使用してさまざまな周期的な金属セル構造を作製し、表面セル構造の傾斜角が連続的に変化するため、図 (a、b) に示すように、表面セル構造のステップ効果が柱ベースの格子に比べて目立たないことを発見しました。

AM 部品の表面粗さに影響を与える 2 番目の要因は、部分的に溶融した粉末です。AM プロセスで低エネルギー入力を使用すると、粉末が部分的に溶融して部品の表面に付着する可能性があります。部分溶融による平均表面粗さは、粒径と同じスケールになることがあります。さらに、大きいサイズの粉末は小さいサイズの粉末よりも完全に溶解するのが難しく、表面仕上げが悪くなります。表面の向きが異なると、表面粗さも異なります。前回の研究では、(c、d)に示すように、部分的に溶融した粉末が多いため、側面の表面粗さは上面よりも高くなることを報告しました。さらに、より多くの粉末が部分的に溶けて下面に付着する傾向があるため、通常、下面は上面よりも表面粗さが大きいことがよく知られています。

ピリングは AM プロセスでかなり一般的な問題であり、特にアルミニウム合金などの軽量合金の場合、金属 AM における表面欠陥や気孔の主な原因の 1 つであると考えられています。これは、AM 中に液体金属の表面張力によって液体球が生成され、表面積が最小化されるために発生します。ボーリング効果は、濡れの悪さと液滴の飛散によって引き起こされる複雑な冶金学的挙動です。エネルギー入力が不十分な場合、溶融池の下部は浅すぎて下層を完全に貫通できず、上部の表面張力を克服できません。この濡れ性の悪さは、直接的に液体ボールの形成につながります。

液体球の形成。例えば、図(e)では、レーザー走査速度が増加すると（エネルギー入力が減少すると）、溶融プールが長くなります。濡れ性が低下すると、個別の球状に分解する傾向があります。エネルギー入力をある程度まで増やすと、濡れ性が向上し、ボール化効果が抑制されます。しかし、図(f)に示すように、過剰なエネルギー入力は液滴の飛散により再びボール効果を引き起こす可能性があります。このような高いエネルギー密度により、不安定な溶融池が生成され、金属の蒸発と大きな反動圧力が伴い、溶融金属と未溶融粉末が飛び散ることになります。飛び散った液体金属は微小な凝固球体を形成し、表面に落ちます。この液滴飛沫による球状化効果は、液体の粘度が低く寿命が長いため、レーザー出力が高くスキャン速度が低い条件下で顕著になります。さらに、球状化効果により表面粗さが増加するだけでなく、金属粉末の堆積が不均一になり、多孔性や剥離を引き起こす可能性があります。

最後に、表面のひび割れも注意すべき重大な欠陥です。 Tangらは、SLMによるCM247LCの製造時に、表面仕上げの改善を目的として境界スキャン戦略を採用しました。境界スキャン戦略を使用して滑らかな表面が得られましたが、図 (g) に示すように、境界領域にはバルク領域に比べて亀裂が多いことがわかりました。次に著者らは、図(h)に示すように、それぞれ粗い柱状粒子と細長い組織粒子によって特徴付けられる境界領域とバルク領域の結晶構造を調べた。境界領域では高角粒界に沿って表面亀裂が発生します。境界領域内のより大きな柱状粒子は、幾何学的に必要な転位 (GND) の高密度と関連しており、これはより高い内部応力と、ひいてはより高い亀裂感受性を意味します。したがって、Ni 基超合金などの亀裂に敏感な合金の AM では、表面仕上げと表面近傍の亀裂との間のトレードオフが重要な問題となります。これらすべての要素を考慮して、プロセスパラメータを慎重に最適化する必要があります。

3. 微細な内部構造欠陥

3.1 内部亀裂

3.2 内部の気孔

2.3 テクスチャ付き柱状粒子
3.4 原材料の欠陥

4 表面欠陥の検出とモデリング

AM 加工部品の表面欠陥や表面粗さ (Ra など) は、接触式または非接触式の方法で評価できます。標準接触チッププロファイル法は、AMed 部品の表面プロファイルを取得するための接触法の 1 つです。表面データの信頼性を確保し、プローブと表面の損傷を回避するには、接触チップの半径と円錐角を適切に選択する必要があります。さらに、接触方式を使用する場合は、試験面のアクセス可能性も考慮する必要があります。一方、非接触法では表面の損傷を回避でき、共焦点顕微鏡や原子間力顕微鏡などの表面形状測定法や、光学顕微鏡 (OM) や走査型電子顕微鏡 (SEM) などの 2D イメージング法が含まれます。

現在までに、金属 AM プロセスにおける表面品質モデリングに関する研究は限られています。 Strano らは、部分的に結合した粒子が表面粗さに与える影響を考慮した解析モデルを提案しました。予測結果によると、傾斜の大きい表面の粗さは、折り目の部分の粒子の割合によって大きく変化することがわかります（図（a））。新しいモデルは、異なる傾斜角度で表面の粗さを実験的に測定することによって検証されました（図（b））。 Boschetto らによって確立された理論的な粗さモデルは、階段効果、球状化、サテライトが粗さに与える影響を考慮しており、AlSi10Mg SLM を例に検証されています。解析モデリングに加えて、Yan らは有限体積法 (FVM) を使用して PBF プロセスの高精度粉末スケールモデルを確立し、ボール効果と単一トラックの不均一性の形成のメカニズムを明らかにしました。シミュレーション結果によると、ボール効果の発生は入力エネルギーと層の厚さに大きく依存します。最近の研究では、Wu らは FVM に基づいて多層 PBF プロセスをシミュレートし、薄壁の側壁粗さマップを予測しました (c)。実験結果と数値結果の両方から、線エネルギー密度の増加とともに側面粗さが徐々に減少することがわかります（図（d））。明らかに、表面粗さを定量的に予測するには解析モデルの方が便利ですが、数値プロセスモデリングはコストがかかり、ボール効果などの欠陥形成メカニズムを理解するのに時間がかかります。

プロセスパラメータの最適化は現在、微細構造欠陥の制御に最も一般的に使用されている方法であり、主に体積エネルギー密度の式を通じて合理的なプロセスパラメータウィンドウを決定します。しかし、エネルギー密度式の研究が進むにつれて、研究者たちは、既存のエネルギー密度式ではもはやプロセスパラメータを正確に制御できず、緊急に修正する必要があることを発見しました。 PBF 成形金属部品の内部の粗い柱状結晶によって引き起こされる深刻な異方性を解決するために、研究者はそれらを微細な等軸結晶に変換して機械的特性を向上させることを望んでいます。主な方法は 4 つあります。

（１）印刷プロセスのパラメータ（レーザー出力、スキャン速度、スキャン戦略など）を調整する。

（３）混合処理：PBFプロセス中にその場での圧延または超音波振動処理を導入し、外部エネルギー入力により溶融金属液体の凝固プロセスを妨害し、等軸結晶の核生成および成長を促進します。

（４）熱処理：成形された部品をその場で熱処理するか、または後熱処理を施すことによって結晶粒の形態を変化させる。微細構造の偏析と転位セルの挙動の制御は、主に印刷プロセスパラメータを制御することによって実現されます。さらに、PBF プロセス中にその場での撹乱 (電磁攪拌など) を適用することで、微細構造と組成の分離を制御することもできます。

出典：関連レビューは、材料分野のトップジャーナルであるJournal of Materials Science & Technologyに、「粉末ベースの付加製造金属および合金におけるマルチスケール欠陥」というタイトルで掲載されました。

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