フランス国立工科大学:高性能準結晶強化アルミニウムマトリックス複合材料のレーザー粉末床融合積層造形

フランス国立工科大学:高性能準結晶強化アルミニウムマトリックス複合材料のレーザー粉末床融合積層造形
出典: Additive Manufacturing Master and Doctor Alliance

現在、レーザー粉末床溶融結合(LPBF)積層造形技術を使用して高性能アルミニウムベース複合材料を形成する主な方法は、アルミニウムマトリックスに硬質セラミック粒子を追加することです。しかし、ほとんどのセラミック粒子の熱特性と機械特性はアルミニウムマトリックスと大きく異なり、冶金結合が不十分なため、動的疲労、熱疲労などの複雑な負荷条件下では、形成された部品が早期に破損する可能性があります。金属間化合物、金属ガラス、準結晶 (QC) などの金属強化材は、金属マトリックスとの連携による優れた特性により、ますます注目を集めています。


準結晶は硬度が高く、摩擦係数が低く、耐腐食性/耐摩耗性に優れています。多くの準結晶合金の中で、Al-Fe-Cr 準結晶合金はコストが低く、準結晶形成性に優れています。したがって、本論文では、LPBF で形成された Al-Fe-Cr 準結晶強化 Al ベース複合材料を研究対象とし、LPBF 製造中の Al-Fe-Cr 合金の微細構造進化則と強化メカニズムに焦点を当て、LPBF で形成された高性能 Al 合金を得るための理論的根拠と設計サポートを提供します。


研究内容 LPBF プロセスを使用して Al-Fe-Cr 準結晶強化 Al ベース複合材料を製造するための最適なエネルギー密度範囲は 150 ~ 250 J/mm3 です。最適なプロセスパラメータの下では、LPBF によって形成された Al-Fe-Cr 合金は、急速凝固によって誘発された多層の異種微細構造複合構造を持ちます。形成された試験片の密度は99.8%±0.08%と高く、明らかな欠陥はありません。マクロ的に見ると、合金は溶融池の境界に沿ってエピタキシャル成長する柱状結晶で構成されています。溶融池の境界では準結晶が豊富に存在し、溶融池の内部では準結晶が乏しいです。単一の溶融池の観点から見ると、SLM で形成されたサンプルは、溶融池内のレーザー溶融ゾーン (LFZ)、溶融池境界 (MPB)、および熱影響部 (HAZ) という明らかな複合構造を示しています。 LFZ では、サイズが 100 ~ 300 nm の球状の Al-Fe-Cr 準結晶粒子が観察されました。これらの小さな準結晶粒子は、Al マトリックスで構成された微細な細胞構造に囲まれていました。 MPB 中には粗大な花びら状/球状の準結晶粒子と長方形の θ-Al13(Fe, Cr)2-4 粒子が分布しています。さらに、HAZ は、α-Al マトリックス内に分散した微細な球状、長方形、または非晶質の粒子の微細構造を呈します。この不均一な構造の形成は、LPBF 処理中の単一の溶融プール内の温度勾配と凝固速度の違いに起因すると考えられます。

図1 LPBF成形試験片の溶融池形態と不均一分布構造。
図 2 LPBF 形成試料の溶融池の異なる領域の相分析図 3 (a) LPBF 形成 Al-Fe-Cr 合金の製造プロセスの概略図と計算された凝固曲線 (b) 単一溶融池の一般的な微細構造の概略図、および (ce) SLM 急速凝固中の Al-Fe-Cr 合金の微細構造の進化の概略図 LPBF 形成 Al-Fe-Cr 準結晶強化 Al ベース複合材料は、高い引張強度を示します。堆積成形サンプルの静的機械特性分析結果によると、合金の引張強度は530.80 ± 3.19 MPa、降伏強度は395.06 ± 6.44 MPa、サンプルの伸びは4.16% ± 0.38%でした。 LPBF プロセスによって形成された Al-Fe-Cr 合金のマクロ - ミクロ組織特性と引張機械的挙動の関係を研究した結果、形成された試験片内の二十面体ナノ準結晶粒子によってもたらされるオロワン強化と、形成された試験片内の転位強化の共同寄与により、合金はより高い引張強度と降伏強度を示すことがわかりました。サンプルの破壊解析結果から、その破壊挙動は延性-脆性混合破壊メカニズムであることがわかります。

図4 LPBF成形試験片の応力-ひずみ曲線、性能比較および破壊解析
概要<br /> 本論文では、LPBF形成準結晶強化Al-Fe-Cr合金を研究対象とし、合金の微細構造特性と機械的性質を特徴づけた。不均質組織の構成が明らかにされ、ナノ準結晶粒子の相変態とマトリックス間の位相関係が詳細に議論されました。LPBFで形成されたAl-Fe-Cr合金の微細構造の発達メカニズムが明らかにされ、形成された試験片の引張特性が研究され、準結晶粒子の機械的特性に対する強化メカニズムが明らかにされ、LPBF技術に適した高性能アルミニウム合金のその後の開発に新たな展望がもたらされました。

著者について<br /> カン・ナン氏は、パリ工科大学の MSMP 研究所で終身在職権を持つ准教授、博士課程の指導者、付加製造プログラムの責任者を務めています。彼はフランスのベルフォール・モンベリアール工科大学で博士号を取得しました(2016 年)。彼は、中国国家自然科学基金、AVIC産学研協力、Grand-Estインテリジェント共同イノベーションプラットフォーム、CEFIPRAなどの国内外の科学研究プロジェクトを主宰しました。筆頭著者/責任著者として、Addit. Manuf.、Composite Part B.、JMST、Scriptaなどのジャーナルに70件以上のSCI論文、4件のESI高引用論文、IF>10の論文14件を発表しています。国内発明、PCT、フランス、アメリカなどの特許を10件以上申請。 Advanced Powder Materials、MRL、JMST、Frontiersシリーズなどの雑誌の編集委員/編集者、第5回ICAM-BM(若手研究者賞)、MRL(特別貢献賞)など。

近年、彼は数々の産業化プロジェクトを担当し、完全に独立した知的財産権を持つ耐高温、高強度のアルミニウム合金を開発し、高温でのアルミニウム合金の機械的性質の急激な低下という業界の問題を解決しました。関連指標は国際的に先進的なレベルにあり、大型部品の直接製造を実現しています。 Al-Mg-Sc-Zr高強度アルミニウム合金の新しい3Dプリント技術が提案され、製品の総合性能とプロセス安定性が業界をリードする地位を獲得し、材料業界の慢性的な低歩留まり問題を大幅に解決しました。この技術で生産された製品は、量産と出荷を達成しました。チームはフランス東部地域のインテリジェント共同イノベーションプラットフォームを活用し、金属積層製造装置 3 台、非金属 3D 印刷装置 3 台、4D/5D X 線形態分析装置、1,500 トンの工業用圧力鋳造装置などの装置と特性評価方法を備えています。

オリジナルダウンロード: https://wwul.lanzoue.com/iDRl90k7jbkd

アルミニウム、金属、複合材

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