著者: Sun Xuan、Hu Bin、Xiong Zhihui 他。出典: 材料成形およびシミュレーション分析
はじめに：本稿では、航空宇宙分野における積層造形用金属材料の需要から始めて、航空宇宙分野における積層造形用金属材料の応用と市場規模について紹介します。鉄基合金、ニッケル基合金、チタン合金、アルミニウム合金などの積層造形合金の微細構造と機械的特性についてレビューします。航空宇宙分野の主要部品における 4 つの積層造形合金の代表的な応用例をまとめます。航空宇宙分野における金属材料の積層造形における問題点と今後の研究の方向性について指摘する。
航空宇宙分野はハイテク化が進んでおり、ハイエンドの航空宇宙機器のサービス性能は金属部品の性能に大きく依存しています。新型航空機エンジン、大型航空機、新世代打ち上げロケットなどの新しい航空宇宙製品の開発や新素材の応用により、製造技術に対する要求はますます高まっています。航空宇宙分野の金属部品を鋳造、鍛造、溶接、機械加工などの従来の製造技術で生産する場合、重機や大型の工具や金型が必要になることが多く、技術的な難易度が高く、材料の加工許容量が大きく、稼働率が低く、生産サイクルが長く、コストが高いため、需要を満たすことが困難です。
近年開発された付加製造技術はこれらの問題を解決することができます。金属積層造形法では、レーザー、電子ビーム、アークなどの熱源を用いて、3次元モデルデータに基づいて材料（流体、粉末、ワイヤ、ブロック）を層ごとに堆積させ、金属部品の直接製造を実現します[3]。この製造技術は、高性能の大規模複合金属部品の直接ニアネット成形を迅速に完了することができ、「変革的な」グリーンで低炭素の製造技術です[4-5]。現在、金属積層造形技術は航空宇宙の設計・製造能力を向上させる中核技術に発展しており、その応用範囲は部品（航空機、衛星、極超音速機、有人宇宙船の部品の印刷）から完成機械（エンジン、ドローン、マイクロ/ナノ衛星の印刷）へと拡大している[6]。金属付加製造技術の使用により、複雑な金属部品の材料構造統合ネット成形を実現でき、高性能航空宇宙部品の設計と製造に新たなアプローチを提供します。
ハイエンド航空宇宙機器は、高性能、長寿命、高信頼性、低コストに向けて発展しており、統合構造と複雑な大規模化の採用がその発展傾向にある[1]。このような発展の傾向を踏まえると、金属部品には優れた機械的特性と、耐熱性、断熱性、振動低減、耐放射線性などの特殊な機能が求められている[6]。材料は製造業の基盤です。「材料一世代、設備一世代」。材料は航空宇宙産業の発展レベルと品質に直接影響を及ぼし、決定づけます。現在、マルエージング鋼[7]に代表される高強度鋼、ニッケル基高温合金[8]に代表される耐熱合金、チタン合金やアルミニウム合金[9-10]に代表される軽量高強度合金は、いずれも航空宇宙分野の積層造形に用いられる重要な金属材料である。上記4つの合金を革新・開発し、積層造形の形状制御技術や特性制御技術と組み合わせることで、材料・構造・性能を統合した製造を実現し、航空宇宙分野の積層造形金属部品のニーズに応えることができます。本稿では、航空宇宙分野における積層造形用金属材料の需要を起点として、航空宇宙分野で使用されている鉄基合金、ニッケル基合金、チタン合金、アルミニウム合金の研究状況をレビューし、航空宇宙分野における積層造形用金属材料の問題点と今後の研究方向を指摘する。
1 航空宇宙分野における積層造形金属材料の応用
1.1 積層造形金属材料システムとその応用 高性能航空宇宙部品は極めて過酷な環境で使用されることが多く、超強力な耐荷重性、極度の耐熱性、超軽量、高信頼性などの特性が求められます[6]。航空宇宙分野の積層造形に使用される金属材料には多くの種類があり、その合金系と主なグレードを図 1 に示します。化学組成に基づいて、航空宇宙用途の積層造形に使用される金属材料は、鉄基合金、ニッケル基合金、コバルト基合金、チタン合金、アルミニウム合金、銅合金などに分類できます。その中でも、鉄基合金、ニッケル基合金、チタン合金、アルミニウム合金は生産量が最も多く、用途も最も広いです[11]。
表 1 は、航空宇宙分野における代表的な積層造形用金属材料とその用途をまとめたものです。鉄系合金はコストが低く、幅広い用途が期待できます。現在、航空宇宙分野の積層造形に用いられる鉄系合金としては、主にマルエージング鋼、ステンレス鋼などが挙げられます。マルエージング鋼にはAerMet100、18Ni(300)などがあり、ロケットやミサイルのエンジンなどに使用されています[12]。ステンレス鋼（SS304L、SS316Lなど）は耐食性に優れており、主にエンジンや排気システム、油圧部品、熱交換器、着陸装置システム、ジョイントなどに使用されています[13]。
現代の航空機エンジンでは、耐熱合金の使用がエンジン全体の質量の 40% ～ 60% を占めており、主に燃焼室、ガイドベーン、タービンブレード、タービンディスクなどの高温側部品や、ケーシング、リング、アフターバーナー、テールノズルなどの部品に使用されています。耐熱合金には、鉄系、ニッケル系、コバルト系などがあります。ニッケル系耐熱合金が最も広く使用されており、使用量の最大 80% を占めています。一般的に使用されているニッケル基高温合金にはIN625、IN718などがあり、主にタービンエンジンの燃焼室、タービン、ケーシング、ディスク、ブレードなどのほか、液体ロケットエンジンのバルブ、ターボ機械、インジェクター、点火装置、マニホールドなどに使用されています[13]。
チタン合金は比強度が高く、耐食性に優れているなどの利点があり、航空宇宙分野で広く使用されています。 TC4 合金は、着陸装置、ベアリング フレーム、回転機械、コンプレッサー ディスクとブレード、極低温推進剤タンクなどの航空宇宙部品によく使用されます。 Ti6242合金はコンプレッサーブレードや回転機械に使用され、γ-TiAl合金は主にタービンブレードに使用されます[13]。さらに、TC2、TC18、TC21、TA15などのチタン合金は航空機の主要荷重支持部品によく使用され、TC11、TC17、Ti60合金などは一体型ブレードなどの航空機エンジン部品に使用されます[14]。アルミニウム合金は比強度が高く、航空宇宙分野で使用されている成熟した材料です。現在、航空機部品の積層造形に使用できるアルミニウム合金としては、AlSi10Mg、A6061、AlSi12、AlSi12Mgなどがあり、航空機胴体部品など軽量化やコスト削減が求められる部品に多く使用されています[15]。
一般的に、積層造形された金属材料は航空宇宙分野で幅広い応用が期待されています。航空宇宙分野における積層造形金属材料の主な用途は4つある。(1)衛星製造（衛星推進システムのチタン合金ピストンやヒドラジン推進システム、衛星のチタン合金やアルミニウム合金ブラケットなど）、(2)ロケット製造（ロケットエンジンのホットエンド部品など）、(3)航空機製造（航空機胴体、大型構造部品、荷重支持構造部品、航空機エンジンのホットエンド部品など）、(4)兵器・装備品製造（ドローンエンジンや巡航ミサイルの主要部品など）。
1.2 積層造形金属材料の市場規模 積層造形技術は、複雑な金属部品の材料構造統合ネット成形を実現し、高性能航空宇宙部品の設計と製造に新たな技術的アプローチを提供します。積層造形の発展に関する権威ある世界的報告書であるウォーラーズ報告書は、積層造形技術が航空宇宙分野の設計・製造能力を向上させる中核技術に発展し、産業用途におけるその割合が14.7%に達したと指摘している[17]。付加製造技術は、主に軽量かつ複雑な構造を統合的に形成できるという大きな利点があるため、航空宇宙分野で広く活用されています。
Wohlers Associatesの統計（図2）[17]によると、2021年には、積層造形サービス（部品製造）が積層造形業界の売上高の41.0％を占め、積層造形材料が23.4％、成形装置が22.4％、その他が13.2％を占めました。材料の観点から見ると、積層造形材料の世界売上高は、2017年の11億3,300万米ドルから2021年には25億9,800万米ドルに増加し、年平均成長率は23.06%でした。そのうち、金属材料の売上高は2021年に4億7,300万米ドルに達し、世界の積層造形材料の総売上高の約18.20％を占め、前年比23.50％増、年間複合成長率は26.80％でした。積層造形材料市場は急速に拡大しており、その中でも金属材料市場の成長率が最も高く、積層造形金属材料は大きな発展の可能性を秘めていることがわかります。
2 金属材料の積層造形と航空宇宙分野におけるその応用
2.1 積層造形法で製造された鉄基合金とその用途マルテンサイト系高強度鋼は、航空宇宙分野での積層造形に使用される鉄基合金であり、主にマルテンサイト系ステンレス鋼とマルテンサイト系時効鋼[18]が含まれ、優れた強度と靭性を備えています。省エネと生産コスト削減の観点から、高強度鋼は将来の航空宇宙分野における金属材料の積層造形における重要な研究方向であり続けている[19]。析出硬化型ステンレス鋼の代表的なグレードとしては、15-5PH、17-4PHなどがある[18,20]。 17-4PH鋼を例にとると、第二相析出強化により高強度、高耐食性を有し、航空機エンジンの精密部品によく使用されている[21-22]。マルエージング鋼の代表的なグレードとしては、AerMet100、18Ni(300)などがある[23-24]。18Ni(300)を例にとると、その優れた強度、靭性、硬度、耐食性、耐摩耗性は、主に固溶強化、相変態強化、時効強化に由来しており、ロケットやミサイルエンジンなどの分野で使用されている[23]。
2.1.1 微細組織と機械的性質マルテンサイト系ステンレス鋼の室温微細組織は、微細ラスマルテンサイト、適量の残留オーステナイト、および分散した析出強化相から構成されている[18]。ラスマルテンサイトは転位密度が高いため強度が高くなります。準安定残留オーステナイトは、亀裂先端の応力集中を緩和し、材料の靭性を向上させることができます。時効処理によって析出するナノスケールの強化相は、鋼の強度をさらに向上させることができる[25]。表 2 には、積層造形された代表的な 4 種類のマルテンサイト系ステンレス鋼とマルエージング鋼の機械的特性を示します。表2は、15-5PHおよび17-4PHステンレス鋼の強度が比較的低く、主な強化相はε-Cu相などのCuに富む相であることを示しています[21,26]。さらに、鋼中のMC相には、粒界を固定し、結晶粒を微細化する機能があります。
マルエージング鋼の微細構造はマルテンサイト系ステンレス鋼と類似しており、主に極低炭素鉄ニッケルマルテンサイトマトリックス中の金属間化合物の析出によって強化され、優れた総合的な機械的特性を有する[27]。 AerMet100鋼と18Ni(300)鋼を例にとると、それらの堆積微細構造はほぼサブミクロンの細胞構造を持つマルテンサイトである[28-29]。時効処理後、高密度ナノスケールNi3X（X = Ti、Al、Mo）金属間化合物が析出し、引張強度が約2000MPaに増加します[24,30]。現在、積層造形用マルエージング鋼の研究は主に18Ni(300)鋼に焦点を当てており、研究内容は成形プロセスパラメータの最適化、熱処理プロセスと微細構造および性能の関係、時効強化メカニズムに重点を置いています[7,29,31-36]。
成形部品の品質と機械的特性を改善するために、通常、積層造形用の特殊合金粉末の設計、レーザー積層造形プロセスパラメータの最適化、微細構造の調整などの対策が講じられる[23]。航空宇宙分野の積層造形に広く使用されている既存のマルテンサイト系高強度鋼粉末は主に従来のバルク材料であり、積層造形技術に適した特殊なマルテンサイト系高強度鋼粉末はほとんどありません。成形部品の品質と機械的特性を向上させるためには、高い冷却速度、温度勾配、非平衡熱サイクルなどの積層造形技術の独自の特性に基づいて、積層造形プロセスに適した新しいタイプのマルテンサイト系高強度鋼粉末を設計する必要があります。積層造形用の新しいマルテンサイト系高強度鋼粉末の開発は、航空宇宙分野における金属材料の積層造形にとって重要な研究方向です。
2.1.2 アプリケーション例
付加製造技術は、航空機部品の構造最適化と欠陥修復において一定の利点を持っています。 EADSはトポロジー最適化と積層造形を組み合わせて、エアバスA380用のステンレス鋼ブラケットを印刷しました。このブラケットは従来の鋳造品よりも約40％軽量で、航空機1機あたりの年間運用コストを数万ドル節約します[38]。北京航空材料研究所はレーザー修復技術を用いて、第三世代戦闘機とIl-76機の超高強度鋼製着陸装置、ステンレス鋼製ジャーナルなどの荷重支持部品を修復した。修復された部品の一部は設置審査に合格し、再利用されている[39]。修復されたIl-76機の超高強度鋼製着陸装置は良好な状態である。
2.2 付加製造されたニッケル基合金とその用途 航空機エンジンの推力重量比と出力は絶えず増加しており、それに応じてタービン入口温度も上昇しており、高温合金ブレードの性能に対する要求もますます高くなっています。現在、ニッケル基高温合金は最も広く使用されており、650～1000℃で強度が高く、耐酸化性と耐ガス腐食性に優れています。代表的なニッケル基高温合金にはIN625、IN718などがあります。この2つを合わせるとニッケル基高温合金全体の83％を占め、航空機エンジンの燃焼室、エンジンテールノズルなどの部品によく使用されています[40-41]。
2.2.1 微細組織と機械的性質ニッケル基高温合金は、ニッケルを主成分とする高温合金（ニッケルの質量分率は一般に50％以上）である。その機械的性質は主にNbとMoの固溶強化によって向上する。NiとCrは耐食性、耐酸化性に優れ、Moは耐孔食性に優れている[42-43]。ニッケル基高温合金の母相はγ相であり、強化相はγ′相である。常温と高温の両方で強化効果があり、航空宇宙のホットエンド部品に広く使用されている[44]。
選択的レーザー溶融（SLM）プロセスを用いてニッケル基高温合金部品を製造するプロセスでは、プロセスパラメータが部品の機械的特性に大きな影響を与えます[16]。 SLM成形されたニッケル基高温合金部品は、通常、微細構造と機械的特性を改善するために後処理（熱間等方加圧、溶体化処理、時効処理など）を必要とする[45]。表3は、異なるプロセスによる熱処理後のSLM成形ニッケル基超合金の機械的特性をまとめたものです。 IN718 合金は、Cr と Fe を豊富に含む析出硬化型ニッケル基合金です。SLM で形成された堆積 IN718 合金の降伏強度は約 580 MPa で、時効処理後には 1,000 MPa 以上に増加します。
積層造形用IN718合金の熱処理プロセスには、通常、析出時効、δ相時効+析出時効、高温微細組織均質化+δ相時効+析出時効などが含まれる[50-51]。析出時効処理中、低い時効温度では堆積構造は変化せず、γ''相とγ'相の析出が促進されるだけで、印刷プロセス中に形成されたLaves相を除去することはできません。ラーベス相は材料の機械的特性を低下させる有害な相である[52]。したがって、積層造形された IN718 合金は通常、ラーベス相を除去するために 970 °C を超える温度で均質化処理されます。 「δ相時効＋析出時効」処理により、粒界のラーベス相を溶解し、粒界に沿って析出したδ相に変化させることができます。また、「δ相時効」時間の延長に伴いδ相が成長し、準安定γ''相がδ相に変態します（時効温度650℃）。高温組織均質化処理＋δ相時効処理＋析出時効処理を施すと、高温組織均質化処理はγ''相とδ相の析出挙動に影響を与えるだけでなく、材料の再結晶度にも影響を与えます。溶解温度が1180℃を超えると、堆積構造は完全に再結晶化し、均質化温度と時間の増加に伴い、ラーベス相または炭化物が完全に溶解し、γ''相のサイズが増加します[51,53]。適切な熱処理により、γ'' 相と γ' 相の再析出が促進され、積層造形された IN718 合金の降伏強度が大幅に向上することがわかります。
IN718合金の積層造形プロセス中の極めて高い温度勾配と極めて速い冷却速度は、γ''相とγ'相の析出を阻害し、その結果、積層造形されたIN718合金の硬度と強度を低下させる[48]。積層造形されたニッケル基高温合金の微細構造特性に基づいて、新しい熱処理プロセスを開発することで、優れた総合的な機械的特性が得られることが期待される[54]。堆積積層造形で製造されたニッケル基高温合金部品の総合的な機械的特性は、鍛造部品のレベルに達しないことが多く、成形工程で微小亀裂などの欠陥が発生しやすくなります。高温合金に合金元素（Y、Reなど[55-56]）やセラミック粒子（TiB2、TiC、TiNなど[57-59]）を添加して改良することで、高温性能をある程度向上させることができます。
2.2.2 応用例 ニッケル基高温合金は、ロケット推進部品、ブースターなど、形状が複雑で加工が極めて難しい構造部品の製造に適しています。インド国防冶金研究所（DMRL）は、積層造形技術を使用して改良型燃料噴射装置を製造した。その圧縮強度、引張強度、硬度は従来の方法で製造された燃料噴射装置よりも優れており、大きな応用可能性を秘めている[60]。米国のマーシャル宇宙飛行センター（MSFC）は、チャンバーのチャネル冷却ノズルに使用できる完全なチャネル構造を内部に備えたIN625合金一体型スラストチャンバーの製造に成功しました[61]。熱交換器は、航空宇宙機器の長期的かつ安定した動作のための重要な部品です。フランスの企業AddUp、Sogeclair、Temisthは、積層造形技術を使用して、積層造形されたアルミニウムシェルと同等の品質と性能を持つ薄壁IN718合金熱交換器を製造することに成功しました[62]。
2.3 チタン合金の積層造形とその応用 チタン合金は、高い比強度、優れた靭性、耐食性、耐熱性、耐寒性を備えており、航空機エンジンにとって重要な材料の一つである[6]。現在、積層造形に使用される主なチタン合金は、TC4、TA15、TC11、Ti55、Ti60、TiAlなどであり、主にエンジンブレード、ケーシング、航空機板金部品、梁、ジョイント、大型壁パネルなどに使用されています。 TC4合金（Ti-6Al-4V）は総合的な特性に優れ、航空宇宙分野で最も多く使用されています。その動作温度は一般に400°C未満です。400°C以上で使用できるチタン合金には、主にTA15、TC11、Ti-55、Ti60などがあります。
2.3.1 微細構造と機械的特性 チタン合金のレーザー積層造形は極めて非平衡な凝固プロセスであり、その急速溶融と急速凝固は従来のプロセスの平衡/近平衡凝固プロセスから完全に逸脱しています。レーザー成形されたチタン合金の堆積微細構造は、主に柱状の一次β相と微細針状のα′マルテンサイトです。最終的な微細構造は、堆積プロセス中の熱サイクルとその後の熱処理に大きく依存します。溶体化温度、時効温度、冷却速度などを制御し、適切な熱間変形処理を組み合わせることで、等軸、二相、ウィドマンシュテッテン、網状などの従来のチタン合金の典型的な微細組織を得ることができます。 Ti-6Al-4V合金を例にとると、SLM成形プロセスの冷却速度は非常に速く、マルテンサイト相変態の冷却速度よりもはるかに速いため、一次β相は急速冷却中に拡散のない相変態を起こし、非平衡針状マルテンサイト（α'）に変態します。その室温での引張強度は1200MPaを超えますが、破断後の伸びは約8％に過ぎません（表4）[63]。
SLMの極端な非平衡凝固条件下では、チタン合金は粗大な柱状結晶構造を形成する傾向があり、その結果、機械的特性に異方性が生じ、部品の累積的な損傷破損を引き起こす[64-66]。粗大な柱状結晶構造の悪影響を回避するために、CuやNiなどの合金元素[67-69]やZrN、TiB2、ZrB2などのセラミック粒子[70-75]をチタン合金に添加して等軸結晶の形成を促進することができる。研究によれば、純チタンに一定量のCuを添加すると、SLM法で形成されたTi-Cu合金中に微細な等軸粒子が形成されることが示されている[76]。この合金の凝固プロセスでは、固液前面の組成過冷却領域が大幅に拡大され、積層造形における大きな温度勾配の悪影響が排除され、結晶粒の成長が制限されるとともに核形成速度が増加し、微細な等軸結晶の形成が促進されます。後処理を行わない場合、調製された Ti-Cu 合金は従来の合金よりも高い降伏強度と破壊後の伸びを示します (表 4)。これに着想を得て、私たちの研究チームは純チタンに微量のNiを添加し、SLM法で作製したTi-Ni合金中に直径約1.2μmの等軸結晶を生成した[69]。 SLMプロセスをさらに最適化することで、微細な等軸結晶を持つナノマルテンサイト（α'）構造が得られ、脆いTi2Ni相の形成が回避されました。この高強度で強靭なチタン合金の強度と可塑性は、前述のTi-Cu合金よりも優れています（表4）。凝固中に固体-液体前線で組成過冷却領域を拡大するように新しい合金組成を設計することが、積層造形されたチタン合金で微細な等軸粒子を得るための効果的な方法であることがわかります。
従来のチタン合金はレーザー積層造形性能が優れており、積層造形プロセスは比較的成熟しています。しかし、積層造形技術の固有の凝固特性によって引き起こされるチタン合金の微細構造の制御の難しさは、粉末組成の観点からまだ解決する必要があります。チタン合金の強化および強靭化方法は、SLM 成形チタン合金の研究の焦点です。
2.3.2 応用例 付加製造されたチタン合金は、コストと効率の面で大きな利点があり、国内外のさまざまな航空機や航空エンジン部品の複雑な構成部品に広く使用されています。王華明氏のチームは積層造形技術の研究に専念しており、チタン合金を使用して中国で最大かつ最も複雑な航空機の主要部品の製造に成功しました[2]。西北工科大学の黄衛東氏のチームは、レーザー積層造形技術を用いて、C919大型航空機用のTi-6Al-4V合金の上部および下部翼リブの製造に成功しました。翼リブの静的荷重強度と疲労性能は鍛造品のレベルに達しました[79]。中国航空宇宙科学工業集団第306研究所は、SLM技術と異種チタン合金（TA15とTi2AlNb）の遷移複合技術を組み合わせ、SLM成形技術を使用して航空エンジン用の複合燃焼室を製造することに成功しました。この方法は、従来の鋳造による強度の低さと界面の容易な破損の問題を克服し、機械試験と熱試験の組み合わせに合格しました[79]。イタリアの企業であるAvioは、電子ビーム選択溶融技術を使用して、航空機エンジン用のチタン合金低圧タービンブレードの製造に成功しました。このブレードは800℃で480MPaの降伏強度を持ち、優れたクリープ耐性を備えています[80]。ノルウェーの企業であるノルスク・チタニウムは、プラズマアーク溶融ワイヤ積層造形法によるチタン合金部品を開発しており、これは連邦航空局（FAA）の認証を受けており、ボーイング787に採用されている[79]。
2.4 アルミニウム合金の付加製造とその用途 アルミニウム合金は航空宇宙分野で一般的に使用される軽金属です。アルミニウム合金のレーザー積層造形は、その特殊な物理的特性（密度が低い、レーザー吸収率が低い、熱伝導率が高い、酸化しやすい）のために困難である[81]。鍛造アルミニウム合金の凝固温度範囲は比較的広く、急速凝固時に発生する応力により割れや変形が発生しやすい[82]。鋳造アルミニウム合金には共晶元素（Siなど）が含まれており、凝固温度範囲が狭いため、高温割れの傾向が少なく、成形性に優れています。そのため、鋳造Al-Si合金は最も早く研究されたアルミニウム合金であり、最も成熟した積層造形プロセスを備えています。現在、積層造形用の主なアルミニウム合金はAlSi7Mg、AlSi10Mg、AlSi12などであり、主にパイプラインサポート、シェル、フレームビーム、グリッド構造、複雑なパイプライン、薄肉部品などに使用されています。
2.4.1 微細組織と機械的性質 SLMの非平衡急速凝固条件下では、鋳造Al-Si合金（AlSi12合金など）の微細組織は、粒界から析出した残留Si粒子を伴う微細なAlに富むセル構造となる。熱処理後、微細組織はある程度粗大化し、Si成分は結晶セルから析出し続けてSi粒子を形成する[83]。 SLM成形されたAlSi10Mg合金の微細構造と進化はAlSi12合金のものと類似している[84]。 AlSi10Mg合金はSLM成形プロセス中にMg2Si相が析出せず[85]、直接低温時効処理後に強度が大幅に向上する（表5）。
レーザー付加製造プロセスのパラメータ（レーザースポットサイズ、レーザー出力、スキャン速度、スキャン間隔、粉末の厚さなど）、成形方向、部品レイアウトはすべて、部品の成形品質、微細構造、機械的特性に大きな影響を与えます。近年、SLM成形されたAlSi10Mg合金のプロセスパラメータ、微細構造、機械的特性が体系的に研究され、成形プロセスと熱処理と微細構造および機械的特性との相関関係が確立されました[86-90]。堆積されたAlSi10Mg合金は高い残留応力と顕著な構造異方性を有することがわかった[91-95]。私たちのチームによるさらなる研究により、堆積したAlSi10Mg合金の引張特性の異方性は、主に荷重支持面上の溶融池界面の分布に関係していることがわかりました。荷重を支える溶融池界面が少ないほど、強度と可塑性が向上します[96]。さらに、熱処理は残留応力を効果的に低減または除去し、微細構造および機械的特性の異方性を弱めることができるが、微細構造の粗大化と強度の低下を引き起こす（表5）[97]。
鍛造アルミニウム合金は非常に亀裂が発生しやすいため、添加剤の製造を通じて必要な微細構造と機械的特性を取得することは困難です。研究により、Zr、SC、Tiなどの元素を添加すると、添加剤の造形中の鍛造アルミニウム合金の亀裂感度が大幅に低下し、微細等軸粒の形成が促進され、アルミニウム合金の強度と可塑性が向上することがわかりました[82,98-102]。さらに、セラミック粒子とアルミニウム合金粉末を均一に混合することによって調製されたアルミニウムベースの複合材料は、良好な形成品質と細かい微細構造を達成し、強度、硬度、耐摩耗性を大幅に改善することもできます[103-107]。
現在、アルミニウム合金添加剤のほとんどの研究は従来の合金に基づいており、新しいアルミニウム合金の開発においていくつかの進歩がなされています[9,108]。添加剤製造技術のユニークな急速な融点と迅速な凝固プロセスは、従来のプロセスとは異なる材料の組織と均質化効果を得ることができますが、高亀裂の傾向とアルミニウム合金の柱状構造の問題は、依然として魅力的であり、アルミニウム添加剤の組成設計を改善するための研究と応用を制限します。
2.4.2アプリケーションの例は、多くの種類の航空機で加えて製造されたアルミニウム合金成分が使用されています。エアバスは、重量を減らして製造サイクルを短縮するために、30のALSI10MG部品を1つの部品に統合し、A350 XWB航空機の垂直方向のテールブラケットを成功裏に製造して、AL-MG-SCの軽量バイオニックキャビン隔離構造をA320航空機に充てました。 2016年、英国のクランフィールド大学は、ARC添加剤の製造技術を使用して、長さ6 mの長さ300 kgのアルミニウム合金両面翼ビームを製造しました[113]。 2020年4月、米国のMeld Manufacturing Corporationは、その独自のMELDテクノロジー（添加剤の攪拌堆積）を使用して、同じ年の直径1.4 mのアルミニウム合金成分を生産し、直径3.05 mの円形アルミニウム合金構造を成功させました。国内関連の添加剤の研究機関と企業も、アルミニウム合金成分の調製に取り組んでいます。 Capital Aerospace Machinery Co.、Ltd。、Beijing Aerospace Machinery Manufacturing Co.、Ltd。、Huazhong University of Science and Technologyなどは、アルミニウム合金サポート、キャビンセクション、フレームビーム、グリッド、その他のコンポーネントの試験生産と適用を実施しました。
3 結論 金属材料の添加剤の製造は、航空宇宙分野に広範なアプリケーションシナリオを持っています。鉄ベースの合金、ニッケルベースの合金、チタン合金、およびアルミニウム合金の添加物は、現在、航空宇宙畑で広く使用されています。ただし、航空宇宙分野で広く使用されている添加剤の製造合金粉末は、主に従来のバルク材料組成に基づいており、添加剤製造技術に適した特殊な合金システムが不足しています。高冷却速度、温度勾配、非平衡熱サイクルなどの添加剤製造のユニークな特性に基づいて、優れた形成性と機械的特性の両方を備えた添加剤製造用の特別な合金粉末を開発することが緊急です。添加剤の製造用に特別に合金粉末を開発することは、航空宇宙用の添加剤製造金属材料の重要な研究方向になります。
添加剤製造技術のユニークな融点と迅速な固化プロセスは、従来のプロセスとは異なる材料の組織と均質化効果を得ることができますが、鉄ベースの合金、ニッケルベースの合金、チタン合金、アルミニウム合金の添加物は、しばしば、colunive anditive intexivitiatiatiateの構造を制限するような強い傾向があります。合金化元素またはセラミック粒子を追加することにより、添加剤の金属を修正することは、フォーメリティを改善し、微細な微細構造を得ることが期待されます。将来的には、非常に過酷な環境で使用されている航空宇宙フィールドの追加製造された金属成分に対する需要を満たすために、鉄ベースの合金、ニッケルベースの合金、チタン合金、アルミニウム合金を革新および開発し、材料積層積み込み造形技術の適用を実現するために、添加剤の製造形状コントロールと特性制御技術を組み合わせてください。
記事の引用：Sun Xuan、Xiong Zhihui、et al。
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現在、多くの人が医療分野における 3D プリント デジタル技術の応用に注目しており、3D プリント医...
2025年2月、アンタークティックベアは、ワシントン大学の研究チームがMycofluidと呼ばれる...
△ ビデオ: 5軸FDM 3Dプリントはサポートを必要とせず、機械的特性を最適化できます...
この投稿は Little Soft Bear によって 2017-3-9 09:11 に最後に編集さ...
2020年9月23日、第4回中国（西安）国際3Dプリント博覧会およびハイエンドフォーラム（略称IA...
数か月前、 2016年国際プラスチック・ゴム見本市で、ドイツの化学大手ワッカー社が最新の産業用シリコ...
パーマロイとは、ニッケル含有量が 30% ～ 90% の鉄ニッケル合金を指します。このタイプの軟磁性...
2015 年、3D プリントは間違いなく最もホットな産業の 1 つです。さまざまな 3D プリンタ...
出典: EOS熱性能により、ポータブル コンピューター、パワー エレクトロニクス、高出力 LED 照...
アンタークティック・ベアは2017年2月7日、アメリカの有名な大学、カリフォルニア大学ロサンゼルス校...
中国のFDMデスクトップ3Dプリンターは海外に大量に輸出されているが、海外に輸出できる産業用3Dプリ...
3Dプリンティングは、デジタルモデルを基礎として、材料を層ごとに積み重ねて物理的なオブジェクトを作...
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