大連理工大学のNiu Fangyongチーム：同期ハンマー鍛造支援アークヒューズによるアルミニウムマグネシウム合金の付加製造！

出典: Additive Online

ハンマー鍛造に基づく塑性変形支援アーク溶融積層造形（WAAM）技術は、高密度の微細粒アルミニウム合金部品の製造において重要な応用の見通しを持っています。しかし、既存の層間ハンマー鍛造法では、ハンマー力が不十分であったり、大きな塑性変形を得るためにハンマー打撃回数が多く必要であったりするなどの限界がありました。これらの問題を効果的に解決するために、2023年7月12日、大連理工大学高性能精密製造国家重点実験室の牛芳勇准教授のチームが蕪湖金茂流体技術有限公司と協力して、「合金と化合物ジャーナル」に最新の研究成果「同期ハンマー鍛造支援ワイヤアーク積層造形Al-Mg合金」を発表し、同期ハンマー鍛造支援WAAM技術を提案し、WAAMアルミニウムマグネシウム合金試料のマクロ形態、微細構造、気孔発達、機械的特性への影響を体系的に研究しました。責任著者はNiu Fangyong准教授です。

結果は、同時ハンマー鍛造（SHF）の条件下では、80Nのハンマー鍛造力で33.97％の大きな塑性変形を達成でき、試験片の表面平坦性が大幅に向上することを示しています。試料の粒径は、堆積時の 105.92 μm から、ハンマー加工した試料では 37.15 μm に減少し、64.93% 減少し、顕著な等軸効果が見られました。同時に、SHF技術の適用とハンマー鍛造力の増加により、Al3Mg2を主成分とする析出相が破壊されます。サンプル内の気孔は丸い形から細長い形に変化し、気孔率はわずか 0.0065% でした。細孔数、相当直径、表面積はそれぞれ 68.33%、13.75%、67.24% 減少しました。ハンマー鍛造試験片の降伏強度と極限引張強度はそれぞれ 250.37MPa と 315.03MPa に達し、溶接試験片よりも 36.28% と 8.95% 高く、伸びも 36.11% と高い値を維持しました。

研究ハイライト

（１）同期ハンマー鍛造支援WAAM装置を開発した。

（２）ハンマー鍛造力８０Ｎで３３．９７％の大きな塑性変形が達成された。

（３）結晶粒微細化率は64.93％であり、等軸効果を伴う。

（４）気孔率は一桁減少し、わずか0.0065％となる。

（５）降伏強度および引張強度はそれぞれ36.25％および8.95％増加した。

紙面イメージ 図1.同期ハンマー鍛造（SHF）装置と測定ユニットの概略図。 (a) SHF装置、(b) 温度測定装置、(c) 力測定装置。
図2 異なる状態における試料のマクロ形態。 (a) 軸測形態学、(b) 断面形態学。図3. 粒子の形態と進化パターン。 (a) 固液界面での過冷却が結晶形態に与える影響、(b) ハンマー鍛造と再結晶化による結晶粒の発達。
主な結論

本研究では、同期ハンマー鍛造支援WAAMプロセスを提案した。 Al-Mg 薄壁サンプルは SHF の有無で作成されました。さまざまな条件下でのサンプルのマクロ形態、微細構造、機械的特性について研究しました。研究の結果、次のような結論が出ました。

（１）同期ハンマー鍛造支援法では、材料を高温で堆積させ、より低いハンマー鍛造力で大きな塑性変形を生み出すことができる。わずか80Nで33.97%の塑性変形が達成され、成形サンプル幅7.80mmの平坦できれいな表面が得られました。

（２）試験片の微細構造は典型的な層状特性を有しており、SHF処理を行わない試験片の層内領域は主に数百ミクロンの粒子長を有する粗大な柱状結晶で構成されている。中間層は主に細い柱状の樹状突起です。 SHF の適用と打撃力の増加に伴い、層間領域に対する層内領域の面積比は徐々に減少し、粒径はそれぞれ 4.98%、43.72%、64.93% 減少し、明らかに等軸粒となります。および改良効果。堆積物の塑性変形とそれに続くその場での熱処理は、等軸粒子の微細化に寄与します。ハンマー鍛造およびハンマー鍛造力が増加すると、主にAl3Mg2で構成されるマイクロスケールの粒状の白色析出物が不連続なストリップに変化します。

（３）同期ハンマー鍛造支援法は、顕著な気孔抑制効果を有する。ハンマー鍛造力が80Nの場合、サンプルの多孔度、平均EqDiameter、平均Area3dはそれぞれ0.0065%、1.38μm、6.03μm2に減少します。ハンマーを使用しない鍛造品と比較すると、サンプルはそれぞれ 90.12%、13.75%、48.77% 減少しました。一方、細孔 EqDiameter と平均 Area3d は、それぞれ 4 μm 未満と 40 μm2 未満に制限されます。溶融池に導入された酸化物の還元、低周波振動による溶融池の撹拌効果、および気孔の閉鎖と変形が、気孔率レベルが低い主な理由です。

（４）SHFの適用により、YSとUTSの異方性がわずかに増加する。対照的に、EL の異方性変動はより大きく、EL がハンマー鍛造に対してより敏感であることを反映しています。全体的に、WAAM-120 サンプルは、YS と UTS がそれぞれ 250.37 ± 26.74 MPa と 315.03 ± 4.60 MPa と最高の引張特性を示し、EL は 36.11 ± 1.20% のままでした。性能の向上は主に、粒子の微細化、転位密度の増加、および気孔の閉鎖によるものです。

連絡先著者

牛芳勇氏は、大連理工大学の准教授、博士課程の指導者です。高性能精密製造国家重点実験室のメンバー、国立大学黄丹年式教育チームのメンバー、中国機械工学学会極限製造支部第一委員会のメンバー、中国非鉄金属学会付加製造支部のメンバー、付加製造国家標準起草グループのメンバー、雑誌「極限製造」の若手編集委員、付加製造最前線（AMF）の第一若手編集委員、および「付加製造」や「セラミックス国際」などの有名なSCI雑誌の優秀な査読者です。

長年、難加工材料のレーザー加工・レーザーアシスト加工、レーザー再生、積層造形に関する理論・技術研究に従事し、総合的な高温アシスト積層応力制御法や同期ハンマー鍛造アシスト積層金属部品の等軸緻密化制御法を提案し、高純度溶融生成セラミック部品や高性能金属部品の積層造形を実現する一連の設備を形成した。研究成果は、第八航空科学技術アカデミー、ハルビン電気、フォルクスワーゲン一汽エンジンなどの有名企業にうまく適用され、ロケットグリッドウィング、ハイエンド工作機械電動スピンドル部品、大型船舶ギアなど、主要設備の主要製品の革新的な設計と製造に強力なサポートを提供しました。

重点研究開発計画のサブプロジェクト、自然科学基金プロジェクト、博士研究員、特別助手など10件以上の垂直・水平プロジェクトを主宰し、2台マシン特別プロジェクト、JCJQプロジェクト、自然科学基金主要プロジェクトなど4件のプロジェクトに参加し、ASMハンドブックAdditive Manufacturingシリーズ1冊の編集に参加しました。SCI論文70本以上（うち1本は高引用）を発表し、30件以上の国内発明特許と1件の国際特許を取得しています。この研究成果は、積層造形に関する権威ある国際会議であるSFFカンファレンスで最優秀論文報告賞を2度受賞（2度とも中国では唯一の受賞）、また遼寧省自然科学学術業績賞の最優秀賞も受賞しました。

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同期ハンマー鍛造支援ワイヤアーク積層造形 Al-Mg 合金.pdf

論文引用
Niu F、Wang Q、Shan B、他「同期ハンマー鍛造支援ワイヤアーク積層造形法によるAl-Mg合金[J]」。Journal of Alloys and Compounds、2023: 171345。

https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2023.171345

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