高強度鋼のアーク積層造形における微細構造と機械的特性の局所制御

出典: 揚子江デルタG60レーザーアライアンス

オランダのデルフト工科大学の研究者らは、高強度鋼のアーク積層造形における組織と機械的特性の局所制御を研究し、成形方向に沿った局所的な微細構造と性能の制御を実現しました。関連する研究結果は、「電気アークベースの付加製造における高強度鋼の微細構造と機械的特性の局所制御」というタイトルで、Journal of Materials Research and Technologyに掲載されました。

研究のハイライト:
•機能的なグレーディングは、熱入力とチャネル間温度を調節することによって実現されます。

•成形方向に沿って局所的な微細構造と特性の制御が実現されます。

•低入熱領域ではマルテンサイト分率が高くなります。

•LHI領域では、より高い硬度と極限引張強度が観察されました。

3D プリンティングとしても知られる付加製造 (AM) は、ほぼネットシェイプの部品を層ごとに製造できる高度な製造技術であり、航空宇宙、海洋、自動車など、さまざまな業界で製品の設計、製造、修理に革命を起こす可能性を秘めています。従来の製造技術と比較すると、積層造形は、高度なカスタマイズ性、製造の柔軟性、複雑な堆積機能の組み合わせにより際立っています。ワイヤアーク積層造形 (WAAM) プロセスでは、アーク熱源によって加熱された領域にワイヤ状の材料を供給し、結果として生じた溶融材料を、通常はコンピュータ支援設計 (CAD) ファイルから導出された所定の経路に沿って堆積させます。 WAAM は、達成可能な堆積速度と製造効率が高いため、1 立方メートルを超える寸法の大容量部品の製造に適しています。積層造形で使用されるアーク溶接プロセスには、主にガスタングステンアーク溶接 (GTAW)、プラズマアーク溶接 (PAW)、ガスメタルアーク溶接 (GMAW) などがあります。 GTAW および PAW ベースの AM と比較すると、堆積された材料が溶接ガンから同軸で供給され、外部ワイヤフィーダーが不要でツールパスの計画が簡素化されるため、実際には GMAW が好まれることが多いです。さらに、その堆積速度は一般に GTAW や PAW よりも高くなります。 GTAW ベースの AM は、高い堆積速度 (通常 1 ～ 10 kg/時)、低い材料廃棄、高いプロセス効率 (約 90%) を特徴としています。また、機能的グレーディングとしても知られる、局所的な組成と微細構造の制御にも大きな可能性を秘めています。
付加製造は、独特の局所的微細構造と機械的特性を持つ金属部品を製造する大きな可能性を秘めています。機能的グレーディングは、通常、組成の変化またはその場での熱機械処理によって実現されますが、付加製造中のプロセスパラメータの変化は、有望な代替手段となる可能性があります。アークベースの積層造形プロセスを調査し、速度とパス間温度を調整することで高強度鋼 (グレード S690) を機能的にグレード分けしました。モノリシックビーズ積層シート堆積の熱シミュレーションと実験測定を組み合わせることで、プロセスパラメータを適切に調整することで部品の微細構造と機械的特性を制御できることが示されています。機能的グレーディングを実証するために、一定のワイヤ送り速度とさまざまな移動速度を使用して長方形のブロックを製造しました。長方形のブロックは、高熱入力領域 (HHI) に挟まれた低熱入力領域 (LHI) から堆積されます。

実験のセットアップ 140 × 50 × 10 mm3の寸法の基板上に、長さ120 mmの単一のビーズ層を5～20 mm s-1の異なる速度で作製しました。次に、複数のプロセスパラメータセットを使用して微細構造と機械的特性を局所的に制御し、図 1 に示すように、寸法が 125 × 21 × 23 mm3 の長方形ブロックを製造しました。ブロック特性の機能的等級分けは移動速度を変えることによって達成され、プロセスパラメータは単一ピースのビーズ積層板の評価結果に基づいて選択されました。

図 1: (a) 一般にワイヤアーク積層造形法 (WAAM) と呼ばれるアークベースの積層造形プロセスの概略図。 (b) 長方形ブロックを堆積するための高入熱領域と低入熱領域の概略図。ブロック上の黄色の矢印は双方向印刷戦略を示します。
高温部と低温部は多角形フェライト、針状フェライト、ベイナイトの混合物で構成され、低温部と低温部は主にマルテンサイトで構成されています。硬度とプロファイルベースのインデンテーション塑性測定により、LHI ゾーンは HHI ゾーンと比較して硬度 (32%) と強度 (50%) は高いものの、均一伸び (80%) は低いことが示されました。現在の研究では、アーク積層造形のプロセスパラメータを調整することで機能のグレーディングを実現し、部品の特性をカスタマイズできる可能性が示されています。

この研究の目的は、アーク積層造形中に、熱入力とパス間温度を調整することにより、高強度鋼合金（S690）の微細構造と機械的特性（すなわち、機能的グレーディング）を局所的に制御することです。入熱量とパス間温度が低下すると、より高いマルテンサイト相分率、硬度、および材料強度を達成できると考えられます。このプロセスでは、移動速度を変えることによって熱入力が制御されます。 WAAM プロセス中の熱分布を予測するために、有限要素法に基づく数値シミュレーション法を確立しました。試験用直方体が積層造形され、堆積されたブロックから抽出されたサンプルに対して微細構造特性評価と微小硬度測定が行われた。さらに、構築されたコンポーネントの局所降伏強度と極限引張強度を決定するために、形状測定に基づくインデンテーション塑性測定 (PIP) 技術を使用して測定を実行しました。さまざまな領域における組織の進化とそれに対応する機械的特性について詳しく説明します。この研究の結果は、高強度鋼合金の WAAM における微細構造制御と機械的特性調整の理解に貢献します。
シミュレーションで使用される温度依存の材料特性は、図 2 に示すように、JMatPro ソフトウェアを使用して材料組成に基づいて決定されました。

図 2: 熱シミュレーションで使用される高強度鋼の温度依存材料特性。
数値的に予測された熱分布を、基板上の 2 点において 5 mm s−1 の速度で実験的に測定された温度と比較し、その結果を図 3 に示します。

図 3: 基板の中央、堆積ビードの中心線からそれぞれ 8 mm と 16 mm の位置にある 2 つの監視ポイントにおける数値予測温度と実験測定温度の比較。データは、移動速度 5 mm s−1 の単一のビーズオンプレート実験から収集されました。
図4：本研究で使用した高強度鋼の組成に対応するCCT（連続冷却変態）図。
8 mm s−1および20 mm s−1の速度で堆積した単一ビーズの光学顕微鏡写真を図5に示します。低速で堆積した球体は、5 mm s−1の速度で堆積した球体と同様に、多角形フェライト、針状フェライト、ベイナイト、低炭素マルテンサイトの混合構造を示します。

図5: 異なる運動速度で堆積したビーズの光学顕微鏡写真: (a) 8 mm s−1、(b) 20 mm s−1。
図 6 は平均硬度を示しており、移動速度の増加に伴って硬度が増加するという予想される傾向を確認しています。 5 mm s−1で堆積したサンプルの硬度は約260 HV0.1です。 20 mm s−1で堆積したサンプルは硬度が最も高く、440 HV0.1に達します。これは堆積した材料の急速な冷却とマルテンサイト相の割合が高いためです。この速度による硬度の変化は、アーク積層造形法によって高強度鋼のプロセスパラメータを制御することで段階的な微細構造と特性を実現できることを示しています。

図6: 移動速度による単一ビードプレートコーティングのビッカース硬度の変化。
マクロ構造と粒子構造 図 7 は機能的に傾斜したブロックの断面を示しており、多孔性および融合の欠如を示しています。図7(b)は、高hi領域(下)と低hi領域(上)の界面の高倍率光学顕微鏡写真です。 2 つの領域の境界面では、微細構造の特徴に劇的な変化が見られます。高温ゾーンには粗い粒子が多く、低温ゾーンには細かい粒子が多くなります。

図 7: (a) 機能傾斜ブロックの断面と (b) 低熱入力 (LHI) 領域と高熱入力 (HHI) 領域間の界面。サブ図(b)は、サブ図(a)の黒い四角で囲まれた領域を拡大して示しています。
図 8: サンプルの低入熱 (LHI) 領域の断面には柱状結晶と等軸結晶が観察されました。黄色の線の間の領域は等軸結晶粒を示しています。
高入熱域における微細構造の進化 2つのHHI領域の光学画像とSEM画像を図9に示します。顕微鏡写真では、両方の HHI 領域で同様の微細構造成分が示されています。高入熱領域の微細構造は、主に多角形フェライト、針状フェライト、粒状ベイナイト、微量マルテンサイトで構成されています。

図 9: (a) HHI の下部領域と (b) HHI の上部領域を示す光学顕微鏡写真、および (c) HHI の下部領域と (d) HHI の上部領域を示す走査型電子顕微鏡写真。異なるフェライト形態とマルテンサイトの混合微細構造が観察されました。黄色の矢印はマルテンサイト-オーステナイト島を示しています。

HHI領域のXRDスペクトルを図10に示します。

図 10: (a) 機能傾斜ブロックのマクロビュー。X 線回折 (XRD) パターンが記録された場所を示しています。 (b) と (d) は、それぞれ上部の高熱入力ゾーンと下部の高熱入力ゾーンから得られた XRD スペクトルです。 (c) および (e) 2 つの HHI 領域の XRD スペクトルにおける残留オーステナイトピークの拡大画像。
図11はHHI領域の高倍率画像を示しています。マルテンサイト-オーステナイト島は、ベイナイトラスの間、およびオーステナイト粒界に沿って位置しています。

図 11: MA のさまざまな形態を示す高熱入力 (HHI) 領域の高倍率画像。赤い矢印はストライプ形態を示し、黄色の矢印はブロック形態を示します。
低入熱域における微細構造の進化 低入熱領域の微細構造は、図 12 に示すように、低炭素マルテンサイト、粒界フェライト、およびウィドマンシュテッテンフェライトで構成されています。

図12: 低熱入力（LHI）領域の（a）光学顕微鏡写真と（b）SEM顕微鏡写真。黄色の矢印はセメンタイト粒子または MA の存在を示します。
低入熱領域のSEM顕微鏡写真（図13）はセメンタイトの析出を示しており、焼戻しマルテンサイトの微細構造を示しています。

図 13: 低入熱 (LHI) 領域の拡大図。LHI 領域内の焼戻しマルテンサイト内の炭化物を示しています。
図14のXRD測定では、残留オーステナイトのピークが検出されないことが確認されています。 HHI領域と同様に、フェライトピークは{110}、{200}、および{211}で観察されます。 LHI 領域での冷却速度の増加により、オーステナイトの分解中の炭素の拡散が制限されます。

図 14: (a) X 線回折 (XRD) 測定の位置を示す機能傾斜ブロックのマクロ画像。 (b) 低入熱(LHI)領域から得られたXRDパターン。フェライトピークのみを示しています。
ビッカース硬度と微細構造の相関関係 サンプルの構築方向に沿った硬度分布を図 15 に示します。
図 15: 機能傾斜ブロックの断面における成形方向に沿った硬度測定。
低入熱領域で観察される硬度値が低いのは、溶融線と間違えやすい白い帯状の領域が存在するためです。白帯下領域と融合線を図16(b)に示す。

図16: (a) 軟化が起こったことを確認するための白いテープの硬度測定。 (b) 白い帯状の部分のへこみ。黄色の線の間の領域は白い帯の領域を表します。赤い破線は融合線を示しています。
図 17: 白い帯状の領域は、異なるフェライトとマルテンサイトの混合構造です。色付きの矢印は、さまざまな微細構造コンポーネントを示しています。黄色: 上部ベイナイト、赤: 針状フェライト、緑: 下部ベイナイトまたは焼戻しマルテンサイト、紫: 多角形フェライト、青: 焼戻しされていないマルテンサイト。

プロファイル測定に基づく圧痕塑性測定 図18は、各領域の対応するインデントのPIP測定から推定された応力-ひずみ曲線を示しています。下部および上部 HHI 領域の降伏強度 (50%) および極限引張強度 (34%) は、LHI 領域よりも低くなります。

図 18: (a) 上部の高熱入力 (HHI) 領域、(b) 中間の低熱入力 (LHI) 領域、および (c) 下部の高熱入力領域における、プロファイロメトリーベースの押込み塑性 (PIP) 測定から得られた応力-ひずみ曲線。黄色の点は、PIP によって測定されたくぼみの位置を示しています。
結論アーク積層造形技術を用いた高強度鋼S690の微細組織と機械的特性の制御を研究した。特性を制御するために組成の変化やその場での熱機械的方法に依存していたこれまでの研究とは異なり、この研究ではプロセスパラメータを調整してエネルギー入力を調節し、空間的に変化する微細構造を生み出しました。この研究の結果に基づいて、以下の結論が導き出されました。
•シングルビード実験で採用されたより高い移動速度により、800°C から 500°C の間の冷却速度が増加し、マルテンサイト相の割合が増加し、硬度が高くなりました。これは、アークベースの積層造形において移動速度を調整することで機能的グレーディングを実現できる可能性を示しています。
•長方形ブロックの断面の構築方向の硬度測定によって、微細構造の段階的変化が確認されました。低入熱領域では硬度値が高く変動が大きく、高入熱領域では硬度値が低く均一でした。
•プロセスパラメータを調整することで、長方形ブロック内の微細構造構成の空間的な変化を観察することができ、微細構造のグレーディングが成功したことが示されます。高強度鋼の堆積中は、より低い熱入力が使用され、50°C の温度と相まって、より高い冷却速度がもたらされ、マルテンサイトの形成につながりました。対照的に、入熱量とパス間温度を上げると冷却速度が低下し、多角形および針状のフェライト、ベイナイト、マルテンサイトの混合微細構造が生成され、これが硬度測定に関係している可能性があります。
•低入熱領域における硬度プロファイルの変動は、マルテンサイト（焼戻しおよび未焼戻し）、ベイナイト、フェライトの混合微細構造により硬度が低くなる、インタークリティカル再加熱熱影響部によって引き起こされます。冷却速度を上げるために移動速度を遅くすると、微細構造の不均一性が生じ、周囲の材料よりも硬度がはるかに低い局所的な軟らかい領域が生じる可能性があります。
• 形状測定に基づく塑性測定では、高入熱領域と比較して、低入熱領域の降伏強度と引張強度が増加し（約 150 MPa）、伸びが減少（2.3%）することが示されました。対照的に、高入熱領域では、粒界フェライト、針状フェライト、および焼戻しマルテンサイトの存在により、より高い伸び（10.2% および 12.4%）を示し、これらの領域がより大きな変形に対応できることを示しています。
この研究は 1 つの高強度低合金鋼に限定されている点に注目すべきですが、空間的に変化する微細構造と特性を得るために提案されたアプローチは、他の金属材料にも適用できます。このアプローチを数値シミュレーションと組み合わせると、局所的な機械的特性が制御された部品の製造が可能になります。今後の研究では、他のパラメータの組み合わせの効果を調べ、製造効率と性能評価を改善して、このようなカスタマイズされた微細構造の機能的グレーディングの可能性を活用する必要があります。 WAAM 機能グレーディングの可能性を最大限に活用するには、コンポーネントの設計段階で達成可能なパフォーマンスをより深く理解する必要があります。

関連論文リンク: https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2023.07.262

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