西安交通大学：TCBシード合金精製所が積層造形アルミニウム合金の強度と延性の相乗的向上を実現

出典: マテリアルリサーチレター

レーザー粉末床溶融結合法（PBF-LB）は、複雑な形状の合金部品の製造に幅広く応用されていることから注目を集めている金属積層造形（AM）プロセスです。しかし、PBF-LBに適した軽量合金システムは非常に限られています。現在、Al-Si(-Mg)系アルミニウム合金のPBF-LBに関する研究は数多く行われているが、機械的特性が要求を満たすことは依然として困難である。さらに、変形アルミニウム合金の場合、Sc、Zr、Tiなどの元素を添加することで高温割れを抑制し、結晶粒を微細化できるものの、コストや大規模生産などの要因により、その広範な応用は制限されています。そのため、PBF-LBに適した新しいAl-Si合金の開発が重要な研究方向となっている。

PBF-LB における Al-Si 合金の機械的特性を改善するには、結晶粒の微細化と凝固経路の最適化が鍵となります。金属付加製造におけるアルミニウム合金の結晶粒微細化剤の適用には課題があります。この目的のために、西安交通大学航空航天学院の劉思達教授のチームは、新型のAl-Ti-C-B（TCB）シード合金精製装置を使用して、AlSi10Mg合金の機械的特性を改善しました。この研究は、TCB 粉末改質 TM-AlSi10Mg 合金の微細構造と機械的特性に焦点を当てました。極限引張強度は 381± 7.3 MPa から 479.2± 1.5 MPa に増加し、伸びは 4.8± 1.2% から 11.1± 0.7% に増加しました。関連研究は、「付加製造された微細粒アルミニウム合金における高強度と大きな延性の融合」と題する研究論文として、Materials Research Letters誌に掲載されました。西安交通大学が最初の対応単位となる。論文の共同筆頭著者は、西安交通大学航空航天学院の研究助手 Cha Wenhao 氏（指導教員：Liu Sida 氏）と香港城市大学の Li Gan 博士です。論文の責任著者は、西安交通大学の劉思達教授、南方科技大学の朱強教授、山東大学の劉祥発教授です。著者には、修士課程学生の He Xi 氏 (南方科技大学)、博士課程学生の Li Jie 氏 (山東大学)、博士課程学生の Li Daoxiu 氏 (山東大学) も含まれます。

本論文では、山東大学の劉翔発教授チームが開発したAl-TCBシード合金精製装置をAl-Si合金のPBF-LB処理に使用し、微細構造と性能の同時改善において顕著な結果を達成しました。単純な機械的混合プロセスのみで、AlSi10Mg合金の結晶粒が大幅に微細化され、溶融池の端に微細な等軸結晶、溶融池の内側により大きな等軸結晶の不均質構造が形成され、平均粒径は約2.8μmでした。また、微細な細胞構造の形成も誘発します。ミクロンサイズの共晶 Si が細胞体内に拡散し、ナノサイズの共晶 Si が細胞壁に沿ってネットワーク状に分布します。構造の最適化により、合金の強度と可塑性が同時に大幅に向上し、降伏強度は302 ± 7.6 MPa、極限引張強度は479.2 ± 1.5 MPa、伸びは11.1% ± 0.7%に達しました。 TCBシード技術をAl-Si合金の付加製造に利用することは、経済的で効率的であるだけでなく、高性能アルミニウム合金部品を製造するための革新的な方法も提供します。また、ハイエンド製造分野における先進的な軽量設計、品質向上、効率向上、変革とアップグレードに重要な材料と技術サポートを提供することもできます。

本研究では、TCB粉末を添加しないPBF-LB AlSi10Mg合金とTCB粉末を添加して改質したTM-AlSi10Mg合金の特性と微細構造を比較し、分析した。 EBSD微細構造解析により（図1）、TCB粉末を添加していないAlSi10Mg合金は大きな柱状結晶構造を持ち、結晶配向は明らかな<001>Al特性を示すことがわかります。 TCB 粉末を添加した TM-AlSi10Mg 合金は、溶融池の境界に微細な等軸結晶、溶融池の内側に大型の等軸結晶という不均一な微細構造を示します。さらに、Ti(C,B)粒子は効果的な不均一核形成部位として機能し、粒子内に均一に分布します。 TCB 粉末の導入により、α-Al 粒子の核生成が効果的に促進され、TCB/α-Al 界面での Si の凝集が減少し、それによって粒子が大幅に微細化され、最終的に平均粒径が約 2.8 μm の微細構造が形成されました。

図1 AlSi10Mg合金とTM-AlSi10Mg合金の微細構造特性。 (a、c) YZ 面に沿った EBSD 方位マップ、(b、d) は (a、b) AlSi10Mg 合金と (c、d) TM-AlSi10Mg 合金の {001}Al、{011}Al、{111}Al 極点図です。(e) TM-AlSi10Mg 合金の SEM 画像、(f) (e) でマークした拡大領域。結晶粒の中心にある Ti(C,B) 粒子を示しています。(g) EDS ラインスキャン結果、(h) TM-AlSi10Mg 合金の SEM 画像と対応する EPMA 結果。Ti(C,B) 粒子が均一に分散していることを示しています。

AlSi10Mg合金とTM-AlSi10Mg合金の微細構造を分析すると（図2）、TCB粉末の導入により結晶粒が微細化され不均質な微細構造が形成されるだけでなく、共晶Si粒子の分布も大幅に変化することがわかります。 AlSi10Mg合金では、ミクロンサイズの共晶Si粒子が主に柱状結晶の粒界に沿って分布しています。 TCB粉末を添加したTM-AlSi10Mg合金では、セル体内にミクロンサイズの共晶Si粒子が分散し、セル壁に沿ってナノサイズの共晶Si粒子がネットワーク状に分布し、一定の厚さの強化相構造を形成しています。この構造は転位の移動を効果的に妨げ、引張亀裂の伝播を抑制し、合金の強度と可塑性を大幅に向上させます。

図2 PBF-LB AlSi10Mg合金とTM-AlSi10Mg合金の独特な細胞構造とナノ粒子の微細構造。 (a) YZ 面に沿った AlSi10Mg 合金の SEM 像。(b、c) 明視野 TEM 像と対応する EDS スペクトル。(d) YZ 面に沿った TM-AlSi10Mg 合金の SEM 像。(e、f) 明視野 TEM 像と対応する EDS スペクトル。(g) HAADF 像。(h) BF 像。TM-AlSi10Mg 合金内の転位と Ti(C,B) 粒子の相互作用を示しています。(i) と (j) は (h) でマークされた拡大像で、セル境界と内部の詳細な微細構造を示しています。

文献リンク:
Wenhao Cha、Gan Li、Xi He、Jie Li、Daoxiu Li、Xiangfa Liu*、Qiang Zhu*、Sida Liu* (2024) 積層造形による微細粒アルミニウム合金における高強度と高延性の融合、Materials Research Letters。

オリジナルリンク: https://doi.org/10.1080/21663831.2024.2449175

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