SUSTech の Zhu Qiang 氏のチームは、積層造形された高温合金のクリープ挙動の研究において重要な進歩を遂げました。

出典: SUSTech 機械エネルギー工学科

はじめに：南方科技大学機械エネルギー工学部の朱強主任教授と中山大学の胡暁剛准教授が率いるチームは、レーザー積層造形された高亀裂感受性超合金のクリープ機構と性能予測において重要な進歩を遂げました。関連結果は、国際誌「Materials Science and Engineering: R」に「材料ゲノムアプローチに基づく積層造形IN738LC超合金のクリープ挙動調査」と題する研究論文として発表されました。

レーザー積層造形は、構造設計の制約とスケールを超えた組織構成性を解放し、高温構造材料の現在の製造限界を打破する革新的なソリューションを提供し、航空機エンジンやガスタービンなどの主要な機器の極度の高温性能に対する緊急のニーズを満たすことが期待されています。クリープ性能は、高温環境における部品の耐用年数と信頼性を測定するための重要な指標であり、その重要性は明らかです。したがって、レーザー積層造形合金のクリープ特性データベースの構築を加速し、高度なクリープ挙動予測技術を開発することは、装置製造分野における積層造形技術の応用を促進する上で非常に意義深い。

しかし、高温合金のレーザー積層造形には、依然として多くの課題があります。第一に、高性能高温合金は亀裂に対して非常に敏感であり、印刷プロセス中に亀裂の問題がよく発生します。第二に、レーザー積層造形高温合金のクリープ性能は従来の鋳造合金よりも大幅に低いため、高温および高応力の使用条件下での製品代替の可能性が制限されます。第三に、従来のクリープ試験方法は非効率的でコストがかかるため、材料の組成、製造プロセス、およびクリープ性能の関係に関するデータベースを迅速に確立するという緊急のニーズを満たすことは困難です。第四に、既存のクリープ性能予測技術は主に破壊寿命の予測に焦点を当てていますが、さまざまな使用段階での材料の変形と損傷の動的進化を正確に説明できません。

この問題に対処するために、朱強氏のチームは胡暁剛氏と共同研究を行った。研究チームは、非常に亀裂に敏感な高温合金IN738LCを検証材料として使用し、レーザー積層造形中に生成された微小亀裂を修復し、材料密度を向上させる液相誘導治癒後処理スキームを提案しました（図1）。これに基づいて、研究チームは、圧縮クリープ温度と荷重の一貫性を確保しながら、データ取得効率を8倍に高める高スループットクリープ試験技術を開発しました（図2）。結果は、LIH処理後の合金の最小圧縮クリープ速度が、多くの代表的な高クリープ性能エンジニアリング合金（鋳造）のそれと同等かそれ以上であることを示しました（図3）。さらに、研究チームは、最適化アルゴリズムに基づいて、最小クリープ速度と温度および圧力とのマッピング関係を構築しました。最後に、ディープラーニング技術を統合することにより、任意の温度および応力条件下でのIN738LC合金のクリープ挙動を正確に予測できる予測モデルを構築し、材料のサービス性能評価および最適化設計のための強力なツールを提供しました（図4）。

図1. 液体誘起治癒（LIH）技術を使用したレーザー積層造形による亀裂の修復図2.（a）高スループット圧縮クリープ試験システムCC801、（b）さまざまな温度および応力条件下でのIN738LCの圧縮クリープ曲線図3. LPBF-IN738LC合金（LIH処理）と一般的に使用される高性能高温合金（鋳造）の最小圧縮クリープ速度の比較図4. ディープラーニングモデルを使用したLPBF-IN738LCのクリープ挙動の予測この研究では、レーザー積層造形を使用して、優れたクリープ性能を備えた高亀裂感受性高温合金を準備するだけでなく、その微視的メカニズムを深く分析します。さらに重要なのは、「材料ゲノムプロジェクト」の概念に基づいており、高スループットクリープ試験技術と機械学習を統合し、正確なクリープ挙動予測モデルを確立するための新しい道を提供し、高温構造材料の急速な発展と幅広い応用を促進する上で非常に意義深いことです。

南方科技大学機械エネルギー工学部の博士研究員である Xu Zhen 氏が本論文の第一著者であり、Zhu Qiang 氏が責任著者、Hu Xiaogang 氏が共同責任著者である。朱強氏のチームメンバーである陸志偉博士、王志遠氏、李卓宇氏、史志芳氏、陳振南氏、中山大学の郭川准教授もこの研究に重要な貢献をした。この研究は、中国国家自然科学基金、中国ポストドクター科学基金、深セン科学技術イノベーション局、SUSTech分析試験センターの強力な支援を受けて行われました。

論文リンク: https://doi.org/10.1016/j.mser.2024.100914

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