上海交通大学の曽暁琴教授チーム：マグネシウム合金の積層造形に関する研究の現状と展望

出典：中国非鉄金属学会誌

マグネシウム合金は最も軽い金属構造材料であり、優れた比強度と比剛性、優れた減衰性能、熱安定性、耐電磁放射性能など、多くの優れた特性を備えています。航空、航空宇宙、自動車、電子通信などの分野で広く使用されています。業界の総合的な製品性能に対する要件が高まり続けるにつれて、フローチャネルやトポロジーなどの軽量部品の設計コンセプトが登場し始めています。しかし、現在のマグネシウム合金の成形方法は、依然として伝統的な鋳造、粉末冶金、塑性成形が主流です。これらの伝統的な加工技術では、一体型部品の内部加工が難しく、部品内部に微細な流路構造や位相構造を構築できないため、マグネシウム合金の軽量化や複雑な構造部品の成形における利点が制限されています。

付加製造技術とは、コンピュータ支援設計、材料加工・成形技術、焼結、溶融、光硬化、噴霧などの方法を用いて層ごとに積み重ねて物理的な物体を得る製造技術です。この方法は、金型が不要、応答が速い、材料の利用率が高い、任意の複雑な部品を成形できるなどの利点があり、従来の製造方法の制約によりこれまで不可能だった複雑な構造部品の製造が可能になります。近年、マグネシウム合金の軽量化の利点に対する従来のマグネシウム合金製造プロセスの限界を打ち破るために、マグネシウム合金の付加製造に関する研究が徐々に行われています。

本稿では、マグネシウム合金の積層造形において比較的成熟したSLM技術とWAAM技術を取り上げ、その研究状況をレビューし、これら2つの積層造形プロセスのコアパラメータとそれらが材料の成形品質、微細構造、サービス性能に与える影響、現在の研究結果と進捗状況、各プロセスの長所と短所、および将来の研究方向の見通しを分析します。

WAAM積層造形は、型開きが不要で、柔軟性が高く、全体的な製造サイクルが短く、デジタル化とインテリジェント化を実現でき、製造設備に対する要件が低く、設計に迅速に対応できるため、さまざまな製品の製造に適しています。アーク積層造形プロセスを利用することで、製造時間と後処理時間をそれぞれ40％～60％、15％～20％短縮できます。合理的なプロセス制御により、優れた機械的特性を持つマグネシウム合金を製造できます。マグネシウム合金 WAAM 付加製造に関する現在の研究は、急速凝固中の結晶粒微細化と熱影響部の成長の制御に焦点を当てています。図 1 に示すように、パルス電流を使用して溶融池を破壊するなどの方法による微細粒子の形成は、マグネシウム合金の強度と靭性の向上、添加剤プロセス中の熱影響部によって生じる柱状結晶の減少、および WAAM マグネシウム合金の機械的特性の等方性の向上に役立ちます。

図1 異なるパルス周波数で堆積したサンプルの微細構造: (a) 500Hz、(b) 100Hz、(c) 10Hz、(d) 5Hz、(e) 2Hz、(f) 1Hz
SLMプロセスは、成形精度が高く、表面平坦度が優れ、溶融凝固速度が高いため、微粒子の形成に役立ち、成形サンプルの総合的な機械的特性が向上します。高精度で高度にカスタマイズされた部品に適しています。公共医療分野で分解性インプラントのカスタマイズに広く使用されているだけでなく、航空宇宙分野でも微細部品のカスタマイズによく使用されています。マグネシウム合金粉末の形状とサイズは、SLMプロセス中の粉末の流動性とレーザー反射プロセスに重要な役割を果たします。レーザー吸収率の高い材料（カーボンナノチューブやグラフェンなど）を添加すると、マグネシウム合金粉末のレーザー吸収率を効果的に向上させることができます。 SLM プロセスパラメータは、成形サンプルの多孔性、微細構造、および総合的な特性に影響します。 SLM 形成プロセスでは、レーザー出力、スキャン速度、スキャン間隔、層の厚さの影響を考慮するだけでなく、エネルギー入力密度が適切な範囲内になるようにさまざまなパラメータのバランスをとる必要があります。表 1 は、いくつかの SLM マグネシウム合金に使用される処理パラメータを示しています。

表1 SLMマグネシウム合金およびマグネシウムベース複合材料のSLM積層造形処理パラメータ
研究の結論 マグネシウム合金の付加製造には優れた利点と幅広い展望があります。しかし、マグネシウム合金の付加製造技術のさらなる応用と発展を制限する多くの問題があります。

（１）マグネシウム合金印刷時のエネルギー入力を制御するためのモデル（過熱溶融物の反動によって形成されるスプラッシュなど）や急速冷却中の微細構造の変化に関する理論的研究など、基礎研究理論が不足している。
（２）マグネシウム合金の積層造形における経験は比較的不足しており、熱亀裂や気孔などの欠陥がしばしば発生する。マグネシウム合金用の特殊なSLM成形プロセスを開発する必要がある。
（３）現在、積層造形に適した特殊なマグネシウム合金原料は存在せず、積層造形加工に適したマグネシウム合金組成系の開発が急務となっている。

チームについて<br /> 国家優秀若手科学者の曾暁琴氏は、上海交通大学科学技術発展研究所の所長、材料科学工学学院の特別教授、上海マグネシウム材料および応用工学技術研究センターの所長、中国材料研究協会の青年活動委員会の評議員/副所長を務めています。当社は、先進的なマグネシウム合金の強化・強靭化理論、ステンレスマグネシウム合金の設計、材料工学に関する長期研究を行っています。彼は、数多くの国立自然科学財団プロジェクト、科学技術省支援プロジェクト、国家重点研究開発プロジェクトを主宰してきました。彼は教育部の「新世紀人材」、上海市の「曙光奨学生」および「科学技術新星」プログラムに選ばれた。彼は 270 本以上の SCI 論文を発表しており、それらの論文は合計 3,479 回引用されており、単一論文の最高引用数は 351 回です。 2 冊のモノグラフの執筆に携わり、120 件を超える発明特許を申請し、60 件を超える国内特許と 1 件の米国特許を取得しました。国家技術発明賞一等賞、国家科学技術進歩賞二等賞、教育部技術発明賞二等賞、国防科学技術進歩賞二等賞、上海科学技術賞一等賞、上海科学技術進歩賞二等賞を受賞。

Ying Tao 氏は、上海交通大学材料科学工学部の准研究員であり、マグネシウム合金に関する国家青年作業委員会の常任委員であり、『Journal of Magnesium and Alloys and Corrosion Communications』の若手編集委員です。長年にわたりステンレスマグネシウム合金の組成設計と性能最適化に関する研究に従事。近年では、JKW基礎強化プロジェクト、科学技術部の希土類研究サブプロジェクト、科学技術部の重点研究開発サブプロジェクト、中国国家自然科学基金など、多くの重要なプロジェクトに取り組んでいます。また、Nature Communication、Corrosion Science、Journal of Power Sourcesなどの一流ジャーナルに22本の論文を発表し、合計937回の引用があります。国防特許4件を含む国家発明特許16件を申請し、10件が認可されています。

王静亜氏は、上海交通大学材料科学工学部の准教授であり、中国科学技術協会の「若手人材」です。統合計算材料工学に基づく高性能マグネシウム合金やマグネシウム基複合材料の設計、高性能ステンレスマグネシウム合金の研究開発に長年従事。国内外のジャーナルに計33本の論文を発表しており、そのうちActa Materialia、International Journal of Plasticityなどのハイレベルジャーナルに筆頭著者および責任著者として発表した論文は21本で、引用総数は370回である。国家発明特許を2件申請しており、そのうち1件が認可されている。彼は長年にわたり、Acta Materialia、JMST、CALPHAD などの一流ジャーナルの査読者を務めてきました。近年、国家自然科学青年基金、博士研究員研究プロジェクト、上海市科学技術委員会の「探検家計画」、科学技術部の希土類研究特別サブプロジェクトを主宰し、国家自然科学基金の主要科学研究機器プロジェクト、国家重点研究開発計画など、多くの重要なプロジェクトに参加しました。

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