積層造形の典型的な応用シナリオ3: 航空宇宙エンジンの主要部品のマルチマテリアル統合製造

出典: 積層造形産業連盟

2022年8月、工業情報化部は「付加製造の典型的な応用シナリオ第1弾リスト」を発表した。地方の推薦、専門家の審査、公告を経て、付加製造の典型的な応用シナリオ第1弾が形成され、産業、医療、建設、文化などの分野で合計36の高品質な応用シナリオが選定された。

中国付加製造産業連盟は、先進的な付加製造技術と設備の応用と推進を加速するために、「典型的な付加製造応用シナリオ事例研究コラム」を設置し、需要の問題点、事例紹介、技術の進歩、応用結果、次のステップの観点から優れた成果を紹介しています。

「宇宙エンジン基幹部品のマルチマテリアル統合製造」第3号が下記の通り発刊されました。

シーンタイプ	マルチマテリアル構造の統合製造
シーンプロジェクト名	航空宇宙エンジンの主要部品の多材料統合製造
シーンプロジェクトユニット	メーカー	南京中科宇辰レーザーテクノロジー株式会社
	アプリケーションユニット	上海交通大学、南京航空航天大学、北京科技大学

I. 背景概要

1. 需要の問題点

新世代の航空宇宙構造物の「軽量化、傾斜、構造機能の統合」という発展傾向に適応し、極端な作業温度や大スパンの荷重など、金属材料の性能に対する複数の制約の影響を克服するために、機能傾斜材料が誕生しました。従来の粉末冶金、溶接、その他機能性傾斜材料の製造方法には一定の制限があり、航空宇宙などの分野での新しい材料構造の応用を制限しています。適切な新しいプロセスが緊急に必要とされています。金属付加製造は非常に有望な新しい加工技術です。

2. 解決策

レーザー直接エネルギー堆積法（LDED）はレーザー直接製造法（LDM）とも呼ばれ、離散蓄積の考え方に基づいています。レーザーを熱源として使用し、溶融池に同時に供給される金属粉末を溶かし、層ごとに蓄積して固体構造を直接製造します。

LDM技術では、レーザーを熱源として粉末と基板表面を加熱して溶融させます。溶融池は急速に凝固して堆積層を形成します。このプロセスでは、さまざまな合金粉末の比率を変更することで、部品の任意の位置で設計された材料組成、組織構造、および性能を得ることができます。これにより、高性能の傾斜機能材料、マルチ材料統合準備と最終成形が実現され、材料設計、加工、準備が統合されたインテリジェントで柔軟な製造システムになります。

2. 事例紹介 - TC4基板表面への傾斜機能コーティングの作製

（一）事例説明チタン合金は機械的性質と耐食性に優れており、それを使用した金属構造部品は航空、宇宙などの分野で広く使用されています。しかし、チタン合金の耐高温性は不十分です。材料傾斜によってチタン合金の耐高温性を向上させることは非常に重要です。レーザークラッディングにより、TC4 基板の表面に連続遷移勾配機能コーティングが作成されました。

（１）RC-LDM8060レーザー積層造形装置を用いたTi6Al4V/インコネル718機能傾斜材料の製造

このシステムは、YLS-3000 ファイバーレーザー、同軸粉末供給レーザーヘッド、二連式粉末供給装置、および 3 軸 CNC 工作機械で構成されています。このプロセスは、アルゴンガスで保護された密閉ボックス内で実行されました。TC4 基板の表面に作成された機能傾斜コーティングは、下の図に示すように、緻密な構造と、組成と特性の連続的な変化を示しました。

△傾斜コーティングのマクロ組織像と各領域の微細構造（TC4基材から最上部のIN718コーティングまでのa→e）
△ 組成変化と微小硬度変化（基材から傾斜コーティング上面まで）
（２）Ti6Al4V/Inconel625機能傾斜コーティングは、RC-LDM8060レーザー積層造形装置を使用して製造された。このシステムは、YLS-3000ファイバーレーザー、同軸粉末供給レーザーヘッド、二連式粉末供給装置、および3軸CNC工作機械から構成されている。作業はアルゴンガスで保護された密閉ボックス内で行われました。TC4 基板の表面に作成された機能傾斜コーティングは、下の図に示すように、緻密な構造と連続的な性能変化を示しました。

△傾斜コーティングのマクロ組織像と各領域の微細構造（TC4基材から最上部のIN625コーティングまでのa→d）

△ 組成と微小硬度の変化（a、b、cは下から上への3つの結合領域における元素の変化）
2. 技術レベルと進歩

このタイプの積層造形装置は、機能性傾斜材料の製造において初めてマルチチャネル粉末供給装置を統合し、最大6種類の金属粉末の同時供給をサポートし、複数の金属粉末のその場での均一混合を実現するための専用の粉末混合機能モジュールを開発しました。マルチチャネル粉末供給機能用に粉末供給制御ソフトウェアが開発されました。研究者は、事前に設計された材料構成を通じて、積層造形プロセスにおける材料比率をリアルタイムで変更し、均一な遷移を実現できます。

III. 応募およびプロモーションの結果

中科宇塵は、多くの研究機関や大学向けに、多数のマルチマテリアル高スループット印刷専用装置をカスタマイズして製造し、傾斜材料、高エントロピー合金などの開発ニーズを満たしています。その成果は、航空、航空宇宙、自動車、造船、金型などの業界で広く使用され、技術の発展を効果的に促進してきました。同時に、工業製造分野のエンドユーザー向けに、数百セットのインテリジェント金属レーザー積層製造装置も提供しています。中科宇辰は中国における工業化金属レーザー積層造形装置の主要サプライヤーの一つとなり、顧客と協力してさまざまな積層造形製品の開発を完了しました。

△TiC粒子強化チタン系傾斜材料△チタン-アルミニウム傾斜材料
4. 改善と推進の次のステップ

次のステップでは、中科宇辰は同軸粉末供給技術と多材料複合製造の技術的優位性を利用して、チタン合金-チタンアルミ合金、高温合金-ステンレス鋼、高温合金-銅合金などの機能傾斜材料/構造調製研究を実現し、異種材料の3次元成形、ロケットエンジン尾部ノズルの統合製造と開発を行います。

（執筆者：南京中科宇辰レーザーテクノロジー株式会社）