華中科技大学の宋波教授：金属レーザー積層造形法の材料設計に関する研究の進捗

著者: 宋博、張金良、張元傑、胡凱、方如璽、江欣、張心如、呉祖昇、石宇生。金属レーザー積層造形のための材料設計に関する研究の進捗[J]。Acta Metallurgica Sinica、2023、59(1): 1-15
出典: Acta Metallurgica Sinica

レーザー積層造形は、パーソナライズされた複雑な金属部品の全体的な成形の問題を解決する効果的な技術手段として認識されています。金属積層造形に関する既存の研究は主に従来の合金グレードから始まっていますが、バランス凝固プロセスに基づいて設計された従来の合金組成は、積層造形の非平衡冶金力学特性を満たすことが難しく、高い亀裂感受性、低い靭性と疲労、異方性などの共通の問題に直面することがよくあります。したがって、積層造形の非平衡凝固特性の潜在的な利点と価値を十分に引き出すには、レーザー積層造形用の新しい材料組成の設計に関する研究を行う必要があります。本稿では、アルミニウム合金、チタン合金、鉄系合金、マグネシウム合金など、さまざまな材料の既存の合金グレードの積層造形における技術的なボトルネック、および積層造形のための革新的な材料設計方法と新しい合金およびその複合材料の開発に関する研究の進歩についてレビューします。最後に、金属積層造形材料設計の今後の開発動向を提案します。

SLM 法で製造したステンレス鋼および Fe ベースのアモルファス / ステンレス鋼の微細構造と腐食特性 (a、b) 研磨前 (a) と研磨後 (b) の微細構造 (図 6a の挿入図はポイント 1 のエネルギースペクトル、図 6b の挿入図は表面エネルギースペクトルと元素分布) (c、d) 修正前 (c) と修正後 (d) の IPF (e、f) 定電位分極試験の比較 (I—腐食電流、T1、T2—孔食腐食の開始時間、K1、K2—曲線の初期勾配、SS—ステンレス鋼)
要約と展望
LAM技術は、アルミニウム合金、チタン合金、鉄系合金、マグネシウム合金、形状記憶合金、高温合金、高エントロピー合金、アモルファス合金など、さまざまな金属材料の製造と成形に応用されています。しかし、ほとんどの研究では依然として従来の合金グレードが使用されており、その合金組成はLAMの非平衡冶金プロセスに完全には適合していません。冶金欠陥の抑制が困難、微細構造の調整が困難、応力と歪みの制御が困難、総合的な性能の向上が困難などの課題に直面することがよくあります。したがって、積層造形の非平衡凝固特性の潜在的な利点と価値を十分に引き出すには、LAM 用の新しい材料組成の設計に関する研究を行う必要があります。

現在、金属積層造形材料改質の方法は、元素比制御、合金元素改質、セラミック粒子改質に大別できます。上記の方法のメカニズムはすべて、核剤の導入、組成過冷却条件の変更、相の調整など、材料の組成を変更して溶融池の凝固プロセスを制御し、冶金欠陥の抑制と強化を実現することに由来しています。まだ多くの課題があります。

（1）不完全な設計理論：既存の材料改質方法のほとんどは、鋳造などのプロセスの経験に基づいており、プロセスの最適化と機械的特性のテストを通じて検証されています。完全な材料設計理論体系はまだ形成されておらず、理論的なガイダンスが欠けています。いくつかの研究では、材料の加工性能を向上させるために、新しい合金を設計するために、亀裂感受性などの熱力学計算方法を実行しました。しかし、この方法ではLAMの非平衡凝固特性が十分に考慮されておらず、プロセスと設計の整合性が悪く、この方法では材料組成の正確な設計を実現することが困難です。そのため、LAM のプロセス特性に基づいた材料設計の理論体系と方法論の改善が必要である。

（２）設計レベルが不完全：既存の設計方法の多くは加工性能の向上を目的としており、制約条件が単純すぎる。材料のサービスの観点から出発し、材料の多レベル・多要素設計を実現する必要がある。例えば、構造材料の場合は、材料指向の強化・靭性設計を実現する必要があり、形状記憶合金の場合は、変形回復の制御設計を実現する必要があり、特殊環境材料の場合は、材料の使用環境の特性に基づいて、低温、高温、耐腐食性、耐疲労性などの制御設計を実現する必要があります。

（３）不完全な材料システム：既存の材料設計理論と方法はすべて、従来の熱間成形の条件下で制約管理と材料構成の改善を行っており、材料システムの拡張に大きな制限があります。 LAM 極限非平衡凝固プロセスにより、材料設計にさらに広い想像空間が与えられます。 LAM の技術的特徴を組み合わせることで、高エントロピー合金、アモルファス合金、準結晶などの材料の破壊的な設計が、新材料の分野に新たな空間を切り開きます。

（4）非体系的な性能研究：現在まで、新しいLAM材料の性能研究は主に室温引張特性に焦点を当てており、高温特性や疲労特性に関する体系的な研究は比較的少ない。上記の性能研究の限界は、新材料の開発と応用を深刻に制限している。したがって、合金組成を設計する際には、新しい合金の加工性能や引張特性を考慮するだけでなく、特定のサービス要件に基づいて特定の性能を備えたターゲットを絞った合金組成設計を行う必要があります。

SONG Bo、ZHANG Jinliang、ZHANG Yuanjie、HU Kai、FANG Ruxuan、JIANG Xin、ZHANG Xinru、WU Zusheng、SHI Yusheng。金属レーザー積層造形のための材料設計の研究の進歩[J]。Acta Metallurgica Sinica、2023、59(1): 1-15

DOI:10.11900/0412.1961.2022.00026

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