軽量金属部品開発の「未来の光」 - マグネシウム合金の積層造形

この投稿は warrior bear によって 2023-2-1 21:07 に最後に編集されました。

はじめに：航空宇宙、武器、装備などの重要な分野で軽量材料の需要がますます高まっています。マグネシウム合金は、最も軽い金属構造材料として徐々に広く注目を集めており、マグネシウム合金の積層造形も材料業界でますます注目を集め始めています。
最も軽い金属構造材料であるマグネシウム合金の密度はわずか 1.74 g/cm3 で、アルミニウム合金の約 2/3、亜鉛合金の約 1/3、鋼鉄の約 1/4、チタン合金の約 2/5 であり、ほとんどのエンジニアリングプラスチックに匹敵します。それだけでなく、マグネシウム合金は、優れた比強度と比剛性、優れた減衰性能、熱安定性、耐電磁放射性能など、多くの優れた特性を備えており、航空、宇宙、自動車、電子通信などの分野で広く使用されています。
業界の総合的な製品性能に対する要件が高まり続けるにつれて、フローチャネルやトポロジーなどの軽量部品の設計コンセプトが登場し始めています。しかし、現在のマグネシウム合金の成形方法は、依然として伝統的な鋳造、粉末冶金、塑性成形が主流です。これらの伝統的な加工技術では、一体型部品の内部加工が難しく、部品内部に微細な流路構造や位相構造を構築できないため、マグネシウム合金の軽量化や複雑な構造部品の成形における利点が制限されています。この場合、積層造形は従来の製造の限界を打ち破り、高精度、高い設計自由度、高い利用率、省エネなどの特徴を備えています。プロセスパラメータを設計することで、合金の微細構造と特性を調整し、合金材料の形状と特性の協調設計能力を最大限に高め、従来の製造では実現できない複雑な構造の製品をネットフォーミングで製造できるため、バイオメディカル、自動車、家電製品などの分野でマグネシウム合金の応用が拡大します。
△レーザー粉末床溶融結合技術により作製された「Mg」字型格子構造（マグネシウム合金WE43製）
3Dプリント技術は、ステンレス鋼、チタン合金、アルミニウム合金などの複雑なサンプルの製造に広く使用されており、エンジンケース、冷却ダクト、軽量構造部品などに効果的に使用されています。近年、マグネシウム合金の加工中の可燃性に関する理解が深まるにつれ、マグネシウム合金の軽量化の利点に対する従来のマグネシウム合金製造プロセスの限界を打破するために、マグネシウム合金の付加製造に関する研究が徐々に行われてきました。現在、研究者らは、選択的レーザー溶融法 (SLM)、ワイヤアーク積層造形法 (WAAM)、摩擦撹拌積層造形法 (FSAM)、レーザー溶融堆積法 (LMD) を使用して、高性能材料を使用した高性能複合材料の製造に成功しています。
△積層造形法で作製した多孔質マグネシウム合金部品
一般的なマグネシウム合金の組成とその分類 純マグネシウムは強度が低いため、そのまま使用されることはほとんどありません。積層造形では、一般的に使用されるマグネシウム合金は、グレードによってAZシリーズ（AZ31、AZ61、AZ80、AZ91）、ZKシリーズ（ZK60、ZK61）、WEシリーズ（WE43、WE54、WE93）に分けられます。 GB/T5153-2016規格によれば、異なるグレードのマグネシウム合金の化学組成は表2に示されています。 AZシリーズ（Mg-Al-Zn）マグネシウム合金は、Mg-Alマグネシウム合金をベースに開発されました。適量のZn元素を添加することで、試験片のクリープ耐性を向上させ、マグネシウム合金中のFeやNiなどの不純物元素が腐食性能に及ぼす悪影響を軽減できます。バランスの取れた機械的特性と一定の耐腐食性を備えています。現在、積層造形研究で最も広く使用されているマグネシウム合金です。 ZKシリーズ（Mg-Zn-Zr）マグネシウム合金は、Mg-Znシリーズマグネシウム合金にZr元素を追加して開発されました。研究によると、マグネシウムにZr元素を追加すると、結晶粒が効果的に微細化され、強力な固溶強化効果があり、マグネシウム合金の機械的性質が向上します。これは、研究の見通しが大きいバイオメディカル材料です。 WE（Mg-RE）シリーズマグネシウム合金は希土類マグネシウム合金に属します。希土類元素を含むマグネシウム合金は室温で優れた耐クリープ性と引張特性を示します。しかし、希土類元素は比較的高価です。現在、積層造形に関する研究は主にAZシリーズマグネシウム合金に集中しています。他のシリーズの合金、特に希土類マグネシウム合金の積層造形に関する研究はあまり行われていません。低コストで高性能な希土類マグネシウム合金の開発は、マグネシウム合金の積層造形研究にとって大きな意義を持っています。
△各グレードのマグネシウム合金の化学組成（質量分率、％）
主流のマグネシウム合金積層造形技術の特徴 金属材料の積層造形プロセスは溶融熱源の特性と密接に関係しており、高度な接合技術の進歩に基づいて、金属材料の積層造形は急速に発展してきました。現在、市場で主流となっているマグネシウム合金積層造形技術は、溶融熱源によってSLM、WAAM、FSAMに分けられます。それぞれの概略図を下図に示します。
△マグネシウム合金積層造形における各種プロセスの概略図
選択的レーザー溶融技術 選択的レーザー溶融（SLM）技術は、レーザーを熱源として使用し、金属粉末を層ごとにスキャンして、設計された金属部品を生成します。高精度が求められる、小容量で複雑な構造の部品の製造に適しています。レーザーエネルギー密度が高く、スポットの中心温度はマグネシウム合金の沸点よりもはるかに高くなります。成形プロセス中にマグネシウム合金の蒸発と元素の燃焼が頻繁に発生します。さらに、実験結果はさまざまな条件（粉末の形状とサイズ、実験システム、環境）の影響を受けやすく、プロセスウィンドウが狭く、不適切なパラメータ選択は成形表面の品質低下や球状化や蒸発などの欠陥につながります。
△SLMマグネシウム合金とマグネシウム系複合材料のSLM積層造形処理パラメータの一部現在、国内外のマグネシウム合金SLM研究はまだ開発の初期段階にあります。ほとんどすべての研究は、多数の実験を通じて適切なプロセスパラメータを探索し、それらの微細構造と機械的特性を比較することです。関連する研究はまだ成熟していません。各実験における最適なプロセスパラメータは、実験システムやハードウェア機器などの要因と密接に関連しているため、実験の再現性が低く、各実験の最適なプロセスパラメータの実用的な値が不明確になります。既存の実験結果に基づいて正確な理論モデルを確立することは困難です。モデリングとシミュレーションの研究を深めることは、マグネシウム合金SLMの広範な応用に貢献します。
アークヒューズ堆積技術 ワイヤアーク堆積技術（WAAM）は、溶接アークを利用して溶接ワイヤを溶かし、堆積と成形を行う技術です。低コスト、堆積効率が高いという利点があり、大型で複雑な構造物の積層造形に適しています。アーク熱源は入熱量が大きく、WAAM成形工程中に熱亀裂や気孔が発生しやすく、深刻な蓄熱効果が生じます。サンプルの下層は高温の蓄熱と複数の熱サイクルにさらされ、結晶粒の粗大化や結晶配向の変化につながることがよくあります。熱応力による材料の変形は、成形精度の低下につながります。現在、研究は主にシングルパス単層およびシングルパス多層クラッディングの成形および微細構造特性に焦点を当てています。

金属線は WAAM プロセスの主な入力材料です。高性能 WAAM マグネシウム合金ワークピースには、次の表に示すように、線材に対して特定の要件があります。
△WAAMマグネシウム合金の線材要件
固体摩擦撹拌添加剤技術 固体摩擦撹拌積層造形法（FSAM）は、撹拌ヘッドと積層された薄板の回転と移動によって発生する摩擦熱により、材料が塑性変形して融合するプロセスです。製造効率が高く、性能が優れているという利点があり、より大きな体積の部品の積層造形に適しています。従来のマグネシウム合金の加工・製造プロセスでは、粗大粒子、熱亀裂、気孔、酸化、蒸発などの多くの問題に遭遇することがよくあります。従来の製造技術と比較して、FSAM プロセスは入熱量が少なく、熱影響部が狭く、攪拌摩擦動的再結晶化プロセスに基づいて超微細粒子を得ることができるため、従来の製造技術の欠陥が効果的に低減され、マグネシウム合金の付加製造に最も適したプロセスの 1 つとなっています。しかし、FSAM プロセスを使用したマグネシウム合金の製造には、まだいくつかの問題が残っています。積層造形後のサンプル内の気孔、帯状構造、フック状の欠陥は、十分に解決できません。 3 つのマグネシウム合金積層造形プロセスは、適用条件、製造効率、熱源エネルギー入力、積層造形後の部品の微細構造に明らかな違いがあります。プロセス特性の比較を次の表に示します。

△特許取得済みのMELD固体摩擦撹拌接合プロセス。写真はMELD Manufacturingよりまた、積層造形プロセスにおける安全性の問題も重要です。SLMプロセスでは、使用されるマグネシウム粉末材料は熱の蓄積が速く、表面積が大きいため、互いに十分に熱を放散できません。酸素と接触すると非常に簡単に燃えて爆発します。保管および使用中のマグネシウム合金粉末の標準化された操作を厳密に遵守する必要があり、安全上の危険性が特に顕著です。WAAMプロセスでは、マグネシウム合金溶接ワイヤを原料として使用するため、製造プロセスで燃焼や爆発が起こりにくく、安全性が高いです。FSAMプロセスでは、マグネシウム合金のシート、ワイヤ、または粉末が通常、原料として選択されますが、固相積層造形プロセスであるため、製造プロセス温度は比較的低く、材料は溶融状態ではなく熱可塑性状態にのみ加熱され、製造された部品のサイズが大きく、放熱性が良いため、製造プロセスは比較的安全です。
△マグネシウム合金積層造形の異なるプロセス特性の比較
積層造形法で製造されたマグネシウム合金の微細構造と特性(I) マグネシウム合金の SLM プロセスは、さまざまなプロセスパラメータと材料パラメータの影響を受けます。これらのパラメータが変化すると、製造された部品の化学組成、機械的特性、および幾何学的形状に大きな変化が生じる可能性があります。現在、マグネシウム合金 SLM に関する研究は、主に実験パラメータ (粉末特性、レーザー出力密度、走査速度、パルス周波数など) がサンプル形成に与える影響の調査に焦点を当てています。したがって、重要なパラメータを特定して焦点を当てることが重要です。研究により、レーザー出力とスキャン速度が、SLM によって製造されるマグネシウム合金の成形品質を決定する重要な要因であることがわかっています。エネルギー密度が低い場合（レーザー出力やスキャン速度が低い場合など）は、マグネシウム合金粉末を完全に溶融することができず、粉末の焼結が起こり、多孔度が高くなり、球状化が起こります。エネルギー密度が高くなると、サンプルの形成は改善されますが、エネルギー密度が高くなると、マグネシウム合金が激しく燃焼し、蒸発が激しくなります。次の表は、SLM プロセスを使用したマグネシウム合金の積層造形の成形比較を示しています。
△異なる材料のマグネシウム合金のSLM成形微細構造の比較。マグネシウム合金の使用範囲と使用環境が拡大し続けるにつれて、マグネシウム合金の欠点が徐々に明らかになりつつあります。現在、マグネシウム合金の広範な使用を制限する最も大きな理由の1つは、耐食性が低く、湿気の多い環境で長期間使用できないことです。マグネシウム合金の耐食性が低い主な理由は、合金内の不純物がマトリックスと微小ガルバニック腐食を起こす可能性が非常に高いことです。合金中の不純物含有量が 0.05% 未満に減少すると、腐食率は 90% 低下します。 SLM プロセスでは高純度粉末成形を採用しており、原材料段階での不純物の混入を回避し、合金の耐食性を向上させます。 SLM プロセス中のより高い冷却速度は、合金構造の微細化に有益であり、材料の耐食性も向上させることができます。さらに、熱処理（HIP など）やその他の加工硬化方法により、SLM マグネシウム合金の機械的特性をさらに向上させることができます。近年の高強度SLMマグネシウム合金の機械的特性をまとめたのが下表です。
△一部の高強度SLM添加マグネシウム合金の室温引張特性。ただし、マグネシウム合金のSLM成形プロセス中に、気孔、熱亀裂、未溶融気孔などの欠陥も発生しやすくなります。気孔の形成は主に、レーザー出力が高く、スキャン速度が低い場合に生じるピンホール効果によるもので、より深い溶融池が形成されます。溶融池が前進して固化すると、蒸気が沈殿する時間がなく、気孔が形成されます。マグネシウム合金を蒸発させることなく、より大きなレーザー入力エネルギーを使用できるため、溶融金属の動粘度を適度に低減し、溶融金属の十分な拡散を確保し、粉末の飛散を低減し、それによって層間の濡れ性を改善し、部品内の気孔を低減することができます。マグネシウムの沸点と融点はわずか 440°C しか離れていないため、SLM プロセス中にマグネシウム合金が激しく蒸発し、粉末の飛散、要素の燃焼などの問題が発生します。マグネシウムと酸素の親和性が高いことは、マグネシウム合金のSLMにおけるもう一つの大きな問題であり、マグネシウム合金の酸化により層間結合が妨げられ、球状化が起こる可能性があります。汚染物質の導入に加えて、レーザービームによって酸化物層が破壊されると、マグネシウム合金試験片の粒界に沿って酸化物層が蓄積し、微小亀裂の発生につながります。現在、マグネシウム合金SLM成形部品の欠陥を減らす主な方法は、プロセスパラメータを調整することです。その中でも、レーザー出力とスキャン速度は、SLMで製造されたマグネシウム合金の成形品質を決定する重要な要素です。適切なプロセスパラメータは、球状化、要素の焼損、多孔性などの欠陥を効果的に減らすことができます。
（II）現在、マグネシウム合金のWAAMに関する研究のほとんどは、タングステン不活性ガス溶接（TIG）と溶融不活性ガス溶接（MIG）を使用しています。アーク熱入力が大きいため、積層造形プロセスで熱が蓄積されやすいです。堆積層の数が増えるにつれて、上部のマグネシウム合金の流動性が高まり、試料は一般的に「上部が広く、下部が狭い」成形特性を示します。次の表は、さまざまなWAAMプロセスを使用したマグネシウム合金の成形を比較したものです。
△異なるWAAMプロセスで形成されたマグネシウム合金（AZ31）の微細構造の比較。マグネシウム合金のWAAMプロセスでは、マグネシウム合金中の水素の溶解度は温度の低下とともに低下します。マグネシウムの密度が低く、WAAMプロセスの急速な冷却により、ガスは凝固中に急速に上昇できず、溶融池から逃げて気孔を形成します。同様の現象はアルミニウム合金のWAAMでも観察されます。溶融池でのガスの逃げと溶解は、溶接ワイヤを適切に保存し、溶接前に母材を洗浄し、溶接パラメータを調整することで制御できます。たとえば、溶接電流と溶接速度を適切に増加させることで、溶融池でのガス逃げ条件をガス溶解条件よりも良くすることができ、気孔の発生を減らすことができます。
(iii) FSAMプロセス中、材料は塑性流動を起こし、試験片の成形を制御することが困難です。一般的に、試験片のマクロ成形を改善するために、攪拌ヘッドの回転速度と溶接速度を変更することによって熱入力を制御します。撹拌ヘッドの速度が速いほど、発生する熱が多くなり、冷却プロセス中の熱応力が大きくなります。一方、撹拌ヘッドの速度が低いと、発生する摩擦熱が材料の流れを引き起こすのに十分ではありません。溶接速度が速すぎたり遅すぎたりすると、試験片に欠陥が生じる可能性があります。したがって、マグネシウム合金 FSAM 試験片を適切に形成するには、適切な撹拌ヘッドの回転速度と溶接速度が必要です。
△WE43マグネシウム合金FSAWプロセス成形構造の問題（例えば、多孔性、縞状構造、フック状欠陥など）は、マグネシウム合金FSAM成形部品によく見られます。積層造形工程で入熱が不十分な場合、堆積した金属の塑性変形が不十分となり、材料の流動性が悪く、試料内部が完全に閉じられず、気孔が形成されます。入熱が大きすぎる場合、撹拌ヘッドの前方側の材料が膨張して溢れ、充填が不十分となり、気孔が形成されます。ねじ山のない円筒形または円錐形の撹拌ヘッドを使用した場合も、材料の塑性変形が不十分となり、気孔が形成されます。フック状の欠陥と縞状の構造は、より高い熱入力で発生する傾向があり、フック状の欠陥の曲がりの方向は、撹拌ヘッドの周りの材料の移動方向と一致しています。下の図は、マグネシウム合金 FSAM 試験片の縦断面のさまざまな領域における、より高い回転速度での成形欠陥を示しています。溶接速度と撹拌ヘッドの回転速度を適切に制御して溶接入熱を調整するか、適切な撹拌ヘッドの形状を選択することで、欠陥を回避できます。
△マグネシウム合金FSAM試験片の欠陥（撹拌ヘッド速度1400rpm、溶接速度102mm/分）
前述のように、微細構造はサンプルの性能に直接影響します。製造プロセスによって微細構造は大きく異なります。次の表は、マグネシウム合金の積層造形のさまざまなプロセスで形成されたサンプルの微細構造（粒径、相組成）を比較したものです。下の表から、マグネシウム合金の種類が多岐にわたるため、その組成は大きく異なり、積層造形後の相組成も異なることがわかります。さらに、マグネシウム合金 SLM と FSAW の結晶粒は WAAM の結晶粒よりも細かくなっています。これは主にレーザーの急速冷却と攪拌摩擦中の動的再結晶化によるものですが、WAAM は激しい熱蓄積により結晶粒が粗くなります。
△マグネシウム合金積層造形の異なるプロセスで形成されたサンプルの微細構造の比較
マグネシウム合金の積層造形の課題と展望 近年、国内外の学者の努力により、マグネシウム合金は積層造形において一定の成果を上げており、従来の成形技術と比較してその利点は非常に顕著であり、将来性も非常に広い。しかし、研究の過程で多くの問題が明らかになり、マグネシウム合金の付加製造技術のさらなる応用と開発が制限されました。
（1）基礎研究理論が不足している。マグネシウム合金印刷プロセスにおける関連熱源エネルギー入力の制御モデルが不足しているため、SLM成形プロセス中に高エネルギーレーザー入力下で過熱溶融物の反動圧力によって形成されるスプラッシュをシミュレートすることは困難であり、特に急速冷却プロセス中の微細構造進化のシミュレーション研究と理論分析は困難である。積層造形プロセスにおける残留応力や加工欠陥に関する研究も、低コストで成熟した鋼、アルミニウム合金、チタン合金を研究サンプルとして使用することがほとんどで、マグネシウム合金系への配慮は低い。その結果、既存の研究では、マグネシウム合金積層造形の多機能統合最適化設計原理と方法において画期的な進歩を達成することは困難である。（2）安全係数の影響により、マグネシウム合金積層造形の経験はまだ比較的少なく、サンプル内部に熱亀裂、気孔などの特定の欠陥が存在することがよくあります。現在、成形後の熱間静水圧プレスによってのみ、欠陥を部分的に除去できます。マグネシウム合金は熱に弱い材料です。積層造形プロセスでは、材料はしばしば強い物理的・化学的変化と複雑な物理的冶金プロセスを受け、複雑な変形プロセスが伴います。上記のプロセスは、材料、構造設計、プロセス、後処理など、多くの要因の影響を受けます。これにより、合金積層造形プロセスのプロセス-構造-性能の関係を正確に把握することが難しくなり、積層造形されたマグネシウム合金の性能を十分に発揮できなくなります。また、マグネシウム合金は活性な性質があり、積層造形中に飛散や割れが発生しやすいため、マグネシウム合金専用のSLM機械や設備を開発する必要がある。（3）現在、積層造形に適した特殊なマグネシウム合金原料（線材や粉末）は存在せず、既存製品のほとんどは既存の商用鋳造グレードのマグネシウム合金であり、積層造形プロセスの高温および急冷特性を十分に活用できていない。積層造形処理に適した他のマグネシウム合金組成システムの設計と開発が特に重要である。（4）マグネシウムベースの複合材料やマグネシウムベースの組成傾斜合金の積層造形には十分な注意が払われていない。積層造形プロセスの特殊性により、異なる粉末容器またはワイヤフィーダーを使用して、組成勾配のある部品または複合材料を製造できます。このコンセプトは、ニッケル合金、チタン合金、高エントロピー合金、鉄アルミニウム合金で成功裏に試みられています。付加製造によるマグネシウム基複合材料とマグネシウム基傾斜材料の開発が成功すれば、マグネシウム合金の軽量化の利点が十分に発揮され、マグネシウム合金の応用範囲が広がることは間違いありません。
マグネシウム合金の付加製造技術が徐々に成熟するにつれて、その革新的役割はますます顕著になっています。付加製造技術は、我が国のマグネシウム合金の製造と研究開発のレベルの向上を効果的に支援し、加速することができます。マグネシウム合金の資源が豊富な我が国にとって、これは我が国のマグネシウム技術を向上させる重要な機会となります。技術が先進的レベルにあることによってのみ、我が国のマグネシウム資源の優位性を十分に発揮し、国際産業競争で主導権を握り、産業大国への転換を加速することができます。
参考文献
[1] Zhao Zhixian、Yan Pengfei、Wu Jie、Sun Hongwei、Wang Jingya、Wang Xin、Ying Tao、Zeng Xiaoqin。マグネシウム合金の積層造形における研究の進歩[J/OL]。中国非鉄金属学会誌：1-27 [2] Liu Hongjie、Liu Wencai、Sun Jiawei、Wang Qianyao、Kuang Siyu、Wu Guohua。マグネシウム合金のアーク積層造形に関する研究の現状と展望[J/OL]。材料工学：1-26 [3] Li Qingzhuang、Zhang Hanzheng、Wang Shuo、Wang Peng、Feng Mengnan。マグネシウム合金の積層造形技術の研究の進歩[J/OL]。材料工学：1-23

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