3Dプリント単結晶高温合金が古典的な概念を打ち破る

3Dプリント単結晶高温合金が古典的な概念を打ち破る
出典: 積層造形技術フロンティア

航空機エンジンブレードは高価な単結晶ニッケルベースの高温合金で作られています。単結晶ブレードは過酷な使用環境のため、局所的な損傷を受けやすい傾向があります。信頼性の高いブレード修復技術の開発は、航空機エンジンの寿命を延ばし、コストを削減するために不可欠です。近年、3Dプリンティングは「正確な位置決めと制御可能な材料追加」という特徴により、単結晶ブレードの修理/再製造の分野で魅力的な応用展望を示しています。

△レーザー積層造形によるブレードの修復 しかし、3Dプリント材料は凝固過程で冷却速度が速いという優れた特性があり、高い残留応力と高い転位密度を伴う準安定微細構造になりやすい。この準安定構造は、標準的な熱処理または使用中に再結晶化しやすく、その結果、材料の高温機械的特性が低下し、安全上の危険が生じます。



西安交通大学、マサチューセッツ工科大学、ジョンズ・ホプキンス大学からなる研究チームは、微細構造の進化の法則から出発して、3Dプリントされた単結晶高温合金の熱処理システムをカスタマイズすることで、単結晶ブレードの3Dプリント修復後の再結晶問題を解決できると指摘し、高温合金の塑性変形回復の新しいメカニズムを提案する論文を発表した。


△3Dプリントされたニッケル基単結晶の微細構造の進化と、研究された新しい高温還元アニーリングとの比較。高温合金の標準的な熱処理システムは、一般的に固溶体化と時効処理で構成されています。実践では、このプロセスにより、3Dプリントされた高温合金の再結晶化が起こることが示されています。研究チームは、体系的な文献調査と包括的な分析を経て、固溶前に「回復」ステップを追加することで再結晶の駆動力を除去できると提案し、確認しました。

「回復-固溶-時効」処理後、高温合金の残留応力が除去され、微細組織のγ′相の方向性粗大化が進行し、転位密度は熱処理前の約5%まで低減できます。時効後、析出強化されたγ′相は鋳造基板と同じレベルに達します。発見された現象は、高温クリープ条件下で高温合金に発生するラフティング効果に似ており、実際に回復効果があることから、「ラフティングによる回復」と名付けられました。

この発見は、残留応力が除去されないために3Dプリントされた単結晶が割れるのを防ぐ実用的な方法を提供し、他の高温合金単結晶製品の修復、復元、再形成に積層造形法を活用する道を開くものです。これは、「単結晶高温合金は回復能力を持たない」という古典的な概念を打ち破り、3Dプリントされた高温合金の非標準熱処理システムを設計するための科学的根拠を提供し、新しい熱処理システムが3Dプリントされた単結晶ブレードの修復のニーズを完全に満たすことができることを示しています。

参考: ラフティングによる回復により、3D プリントで修復された単結晶超合金の再結晶化を回避

高温、合金、チタン合金、単結晶

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