新しい3Dプリント法で高強度ステンレス鋼とアルミニウム合金のハイブリッド材料が誕生

この投稿は Bingdunxiong によって 2023-11-15 16:32 に最後に編集されました

2023年11月15日、南極クマは、広島大学の研究チームが革新的な3Dプリント技術の開発に成功したことを知りました。この技術は、最大 17404.5 ポンド/平方インチの分離応力でステンレス鋼 (SUS304) とアルミニウム (A5183) の材料を効率的に接合できます。

△広島大学、ステンレスとアルミを接合できる３Ｄプリント法を開発鉄とアルミは経済成長を支える重要素材だが、溶融部の脆さなどから、これまで効果的に接合する方法が見つかっていなかった。この新しい 3D 印刷技術は、この課題を克服するための重要な一歩を踏み出し、脆い領域を 2 ミクロン未満に縮小し、この分野の自動車、航空宇宙、インフラ部門が直面している大きな問題を解決することに成功しました。

鉄鋼とアルミニウムは、特に自動車製造において、常に市場における競合相手でした。鋼鉄はより強くて経済的ですが、アルミニウムは強度と重量の比率が優れています。これらをうまく組み合わせることで、構造の完全性を損なうことなく重量が軽減されるだけでなく、炭素排出量を削減する重要なステップとして自動車メーカーからも高く評価されています。

しかし、鋼とアルミニウムの冶金特性が異なるため、従来の溶融法では脆い金属間化合物 (IMC) が形成され、さらなる応用が制限されます。研究チームは、ホットワイヤ技術、ダイオードレーザー、フラックスを統合した高度な3Dプリント方法を開発し、ステンレス鋼とアルミニウムの接合部におけるIMCの厚さを制御することに成功しました。

研究チームは、7月にシンガポールのマリーナベイ・サンズ・コンベンションセンターで開催された国際溶接学会第76回年次総会および国際溶接接合会議で研究結果を発表した。

△ホットワイヤーレーザー3Dプリント方式の概略図
スチールとアルミニウムのハイブリッドを実現する方法

研究者たちは熱線法を用いてアルミニウム合金を融点近くまで加熱し、溶融池に沈めた。レーザー照射プールは、異種金属が融合する局所的な領域です。

2 つのフラックス塗布方法をテストするために、ソリッドワイヤとフラックス入りワイヤ (FCW) という異なるアルミニウム合金溶接ワイヤを使用しました。最初のシナリオでは、フラックスフリーのソリッドワイヤを使用して、15 ミリメートル (mm) のオーステナイト系ステンレス鋼基板に塩化物フラックスを塗布しました。 2 番目の例では、フラックスソースとして FCW に切り替え、基板をむき出しのままにしました。

チームは、さまざまなレーザースポットサイズと処理速度を評価し、フラックスの活性化、IMC形成の最小化、正確で一貫した印刷の実現に最も効果的な組み合わせを決定しました。彼らは、レーザーの焦点外し距離を +15 mm に設定することで、最も安定したビーズ形成を実現しました。これを超えると、フラックスが過剰に予備溶融し、フィラーワイヤの先端にアルミニウムが蓄積して、ビード形成が妨げられます。

さらに、印刷速度を毎分1メートルに設定すると低速モデリングが最も効果的に機能し、IMCを1～2ミクロンに低減できることもわかりました。

次に、レーザー出力がビード外観とIMC幅に与える影響を評価しました。これらの実験では、チームは1.5 m/分の固定処理速度を使用しました。研究者らは、レーザー出力設定は IMC の厚さには大きな影響を及ぼさないが、ビーズ形状の要因となることを発見しました。

4.7キロワット（kW）のレーザー出力は弱すぎたため、ビーズの中央に欠陥が生じました。しかし、出力を 6kW に上げると高すぎたため、煙が発生し、ビードの形状が不安定になりました。ビード欠陥は、5kW および 5.5kW の最適電力で解決されました。

研究者たちは、レーザースポットサイズがステンレス鋼のベースに塗布されたフラックスを活性化させる要因であることを発見した。同時に、FCW 方式ではレーザー出力によって溶融プールのサイズが決まることがわかりました。

△アルミ合金とステンレス鋼の3Dプリント方法を高速画像で紹介
画像コントロールのテスト

研究チームは調査結果に基づいて最適な組み合わせを適用し、フラックス供給法を使用して引張強度をテストする試験片を準備しました。どちらのサンプルも、高さがそれぞれ 12 mm の 9 層のアルミニウムで構成されていました。研究者らは、両方のサンプルの後続の層に固体ワイヤを使用しました。

最適化されたキャリブレーションにより、最大 17,404.5 psi の平均分離応力でステンレス鋼とアルミニウムの結合が達成されました。金属間化合物（IMC）層も2マイクロメートル未満に抑制されます。

研究者たちは、走査型電子顕微鏡で破砕したサンプルを観察したところ、強い結合と弱い結合の違いを発見した。破断に最も大きな力を必要とする試験片には、延性不安定破壊を示すディンプルの存在が見られました。この状況は通常、非常に延性の高い材料で発生し、過度の負担がかかったときにすぐに破損するのではなく、変形する可能性が高くなります。それ以上の変形に耐えられなくなると、突然破損してしまいます。

一方、最も強度の低いサンプルは粒状のように見えました。エネルギー分散型X線分光分析により、粒子内にカリウム、フッ素、炭素などの酸化物やフラックス元素が存在することが明らかになりました。これは、弱い結合が界面におけるフラックスやその他の欠陥の閉じ込めによるものであることを示唆しています。

研究チームは、この新しいプロセスによりステンレス鋼とアルミニウム合金の高強度直接接合が可能になり、革新的な製品設計と画期的な製品性能の向上につながることを期待していると述べた。
この技術革新は業界に新たな可能性をもたらし、将来の発展への道を開きます。鉄鋼とアルミニウムの材料を接合するという問題を解決するその大きな可能性は、エンジニアリングコミュニティに革命的な影響を与え、関連分野の進歩と発展を促進するでしょう。

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