インサイチュマイクロフォージング（MF）支援による介在物のない完全高密度金属のコールドスプレー積層造形

出典: Additive Manufacturing Master and Doctor Alliance

最近、西安交通大学金属材料強度国家重点実験室の李昌久と羅暁涛のチームは上海大学と共同で、付加製造のトップ国際ジャーナルであるAdditive Manufacturingに「MF粒子を封入せずに完全に高密度の金属を付加製造するためのインサイチュマイクロフォージング（MF）支援コールドスプレーの処理マップ」と題したコールドスプレー付加製造に関する最新研究に関する論文を発表しました。責任著者は羅暁涛教授です。
新しく開発されたインサイチューマイクロフォージング支援コールドスプレー（MFCS）は、気孔率が0.1％未満の高密度金属を製造するための経済的で便利な方法です。このプロセス中、大型の硬いマイクロ鍛造粒子の衝撃によって引き起こされる鍛造効果により、堆積された材料がその場で高密度化されます。したがって、高価なヘリウムを使用せずに、適度なガス温度と圧力で、十分に高密度の金属堆積物を生成することができます。しかし、多孔性は堆積された材料の種類、ショットサイズ、およびスプレーパラメータに大きく依存することが判明しました。ショットピーニング粒子の堆積によって生じた介在物は、柔らかい堆積材料でよく観察されます。このため、この技術の適用は多少困難となり、汎用的な加工プロセス図面に対する要求が高まります。

この研究では、硬度の異なる純Al、純Ti、純Ni、2219Al、6061Al、7055Al、TC4を例に、MFCSの汎用スプレー処理マップを調査します。ピーニング粒子の衝突速度と体積分率、堆積物質の種類、および噴霧パラメータがピーニング粒子の緻密化と堆積に及ぼす影響を調査しました。堆積粉末に 410 ステンレス鋼 MF 粒子を 30 vol.% 添加すると、すべての堆積物の多孔性が低下し、粒子堆積によって誘発された介在物が純 Al、3 種類の Al 合金すべて、および純 Ti 堆積物で観察されました。単一粒子沈着実験と数値シミュレーションは、機械的な連結が MF 粒子沈着の主なメカニズムであることを示しています。この研究では、臨界埋め込み MF 粒子サイズを定義し、それを超えると堆積物体積への MF 粒子の混入を回避できます。堆積体の緻密化に影響を与えるすべての主要な要因を包括的に考慮するために、MF 強度 (IMF) という新しい概念が提案されています。最後に、臨界埋め込み速度と IMF を堆積材料の硬度に対してプロットすることにより、MF 粒子の介在物のない完全に高密度の金属を堆積するための最適化されたプロセスマップが確立されました。公式アカウントをフォローしてください: 積層造形の科学研究とエンジニアリングアプリケーションに焦点を当てた Additive Manufacturing Master and Doctor Alliance!

論文のハイライト
1) マイクロフォージド（MF）粒子の埋め込み条件とメカニズムを解明した。
2) MF粒子の混入を避ける戦略が提案された。
3) MF強度（IMF）の概念が導入され、完全高密度鉱床を作製するための基準が提案されました。
4) MF粒子介在物のない完全に緻密な堆積物を生産するための一般的な処理図が確立されました。

図1. 従来のコールドスプレー法と30 vol% MF粒子を含むMFCS法で生成された堆積物の断面微細構造の比較。図2. さまざまな噴霧条件下での数値シミュレーションによって得られたMF粒子速度（a）と実際に測定されたMF粒子速度（b）。
図3 MF粒子の衝突によって誘発されるすべての可能性とそれに対応するクレーターの深さの測定方法の概略図（a）、跳ね返ったMF粒子によって生じたクレーターの例（bとc）、および部分的に貫通したMF粒子によって生じたクレーターの例（dとe）、および相対的なクレーターの深さの計算値と実験値の比較（f）。
論文の主な結論<br /> 本研究では、純アルミニウム、純チタン、純ニッケル、2219アルミニウム、6061アルミニウム、7055アルミニウム、TC4の7種類の異なる硬度の粉末を例として、インサイチュマイクロフォージング支援コールドスプレー（MFCS）によってマイクロフォージング粒子の介在物のない完全に高密度の金属堆積物を調製するための汎用スプレー処理方法を開発しました。マイクロ鍛造粒子の堆積メカニズムと、完全に高密度の堆積物を得るための重要なパラメータが研究されました。次のような主な結論が導き出されました。

（１）与えられたMF粒子条件下では、柔らかい堆積物はその場で緻密化しやすいが、堆積する可能性も高くなり、堆積物にMF粒子が含まれることになる。
（２）コールドスプレー法における粒子間の結合形成とは異なり、MF粒子の浸透は堆積物との機械的な連結を引き起こし、これがMF粒子の埋め込みの主なメカニズムである。堆積は衝突クレーターの深さがMF粒子サイズの0.8倍を超えた場合にのみ可能です。衝突クレーターの深さは、主に MF 粒子の衝突速度と堆積した物質の密度および硬度によって影響を受けます。
（３）堆積体内のMF粒子の緻密化の程度は、主に堆積物質の単位体積あたりのエネルギー入力（MF強度、IMF）と堆積物質の塑性変形に対する抵抗力に依存する。 IMF 粒子と MF 粒子の衝突速度と体積分率は正の相関関係にあります。 IMF が閾値を超えた場合にのみ、マイクロ鍛造効果によって堆積物内の気孔を除去できます。しかし、IMF が高くなると、堆積体の深刻な侵食につながる可能性があります。
（4）臨界埋め込み速度とIMFおよび堆積材料の硬度との関係をプロットすることにより、MF粒子介在物のない完全に緻密な金属を堆積するための最適化されたプロセスマップが確立され、さまざまな堆積体で検証されました。プロセスマップによれば、さまざまな要件を満たす高品質の金属を MFCS で簡単に堆積できます。公式アカウントをフォローしてください: 積層造形の科学研究とエンジニアリングアプリケーションに焦点を当てた Additive Manufacturing Master and Doctor Alliance!

論文リンク:
https://doi.org/10.1016/j.addma.2023.103644

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