溶融プールレーザー衝撃変調積層造形によるCoCrFeNi高エントロピー合金の強化

溶融プールレーザー衝撃変調積層造形によるCoCrFeNi高エントロピー合金の強化
寄稿者: 王林、張航 寄稿部署: 西安交通大学機械製造システム工学国家重点研究室

付加製造技術は、柔軟性と制御性、生産原料組成の調整の容易さ、部品サイズの自由度などの利点により、金属材料製造において最も広く使用されている技術の 1 つとなっています。特に、材料組成のバリエーションが豊富な高エントロピー合金の開発に有利です。製造プロセスでは、製造プロセスにおけるさまざまなプロセスパラメータや、焼鈍熱処理、熱間等方圧プレスなどの後処理を最適化することで、製造された製品の機械的特性を向上させることができます。

高エントロピー合金の機械的特性はその内部微細構造によって決まります。そのため、材料の微細構造を制御する研究が特に重要です。 CoCrFeNi 高エントロピー合金の微細構造は、通常、レーザー溶融中に溶融池でエピタキシャル成長した柱状粒子と、溶融池の端にある等軸粒子であり、これは溶融池内の異なる冷却速度や面心立方 (FCC) マトリックス構造などの要因に関連しています。

武漢大学理工学研究所のHeng Luらは、CoCrFeNi高エントロピー合金の開発を研究し、新しい溶融池同期レーザー衝撃変調(LSMMP)法を提案した。このプロセスは、溶融池にレーザー衝撃を与えて再結晶化プロセスを直接妨害し、積層造形中の溶融池対流を強化して柱状結晶の成長を抑制し、最終的に粒子を微細化することで印刷サンプルの機械的特性を向上させる。

図1 溶融プールレーザー衝撃変調システムモデル 同期レーザー衝撃変調システムの構造を図1に示します。実験装置は、1kW連続ファイバーレーザー、ジュールレベルパルスレーザー、304ステンレス鋼基板、および高速カメラで構成されています。実験は高純度アルゴン雰囲気中で行われ、製造プロセスで使用された連続レーザービームは基板に対して垂直であったが、パルスレーザービームは垂直方向から -10° ずれていた。

研究目的で製造プロセスにおいて異なるレーザー衝撃エネルギー(1 J、2 J、3 J)を使用し、高速度カメラを使用して溶融池の進化プロセスを連続的に撮影しました。結果を図2(a)-(c)に示します。溶融池のレーザー衝撃プロセスを分析すると、図2(d)に示すように、4つの段階に分けることができます。I:反動圧力(P)とマランゴニ対流(M)が支配する対流メカニズム、II:衝撃力(S)が溶融池の振動を支配します。III:反発力(R)が支配し、溶融池が上向きにアーチ状になります。IV:重力(G)が支配し、溶融池が下方に移動し、元の形状に戻ります。

図2 (a)-(c) レーザー衝撃エネルギーがそれぞれ1J、2J、3Jの場合のレーザー衝撃変調のリアルタイム画像。(d) レーザー衝撃プロセス中の溶融プールの進化のさまざまな段階。ステージ I では、連続レーザーが CoCrFeNi 粉末を完全に溶融し、粉末が得た熱が急速に基板に放出されるため、底部の高温によって上向きの反動圧力 (P) が発生し、流体が基板から押し出され、溶融池表面の温度勾配によってマランゴニ対流 (M) が発生し、溶融池表面の流体が高温領域から低温領域に移動します。ステージ II では、衝撃力 (S) によって溶融池の元の状態が破壊され、溶融池の形態はレーザー衝撃のエネルギーに関係します。ステージ III では、溶融池内の流体が端に向かって移動し、固体に遭遇すると中心に向かって跳ね返り、溶融池の中心が再び膨らみます。最後に、ステージ IV では、溶融池は重力 (G) の作用により静穏状態に戻ります。

レーザー衝撃なしと 0J、1J、2J のパルスレーザー衝撃ありの CoCrFeNi 印刷サンプルの断面溶融プールをそれぞれ観察しました。図 3 に示す電子後方散乱回折 (EBSD) パターンから、レーザー積層造形プロセス中に、レーザー衝撃は溶融プールのサイズと形状を変えるだけでなく、材料の微細構造の粒径にも影響を与え、最終的に成形サンプルの機械的特性を変えることがわかります。

図 3 異なるパルスレーザーエネルギーの電子後方散乱回折 (EBSD) パターン: (a) 0 J、(b) 1 J、(c) 2 J、(d) 3 J。最後に、レーザー衝撃なしと異なるレーザー衝撃エネルギーでの印刷サンプルのパフォーマンスを比較し、得られた真の応力-ひずみ曲線を図 4 に示します。レーザー衝撃強化後の材料の降伏強度は向上し、パルスレーザーエネルギーが 1 J のときに最大強度値と伸びが達成されます。

図4. 異なるパルスレーザーエネルギーで作製したサンプルの応力-ひずみ曲線 参考文献:
Lu H、He Y、Zhao Z。溶融池のレーザー衝撃変調による付加製造によるCoCrFeNi高エントロピー合金の強化。材料科学と工学。2022;11(6):860。

レーザー、溶融池、合金、高温

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