アルミニウムベースのナノ複合材料のワイヤ付加製造における超音波の効果!

アルミニウムベースのナノ複合材料のワイヤ付加製造における超音波の効果!
出典: 材料科学と工学


金属マトリックスナノ複合材料 (MMNC) は、ナノサイズのセラミック粒子で強化された金属材料であり、高い比強度と延性を持ち、高温性能を向上させます。付加製造 (AM) には、自由形状ジオメトリを効率よく低コストで迅速にプロトタイピングできるという独自の利点があります。従来の方法と比較して、付加製造プロセスを使用することで、新しい軽量材料を低コストで製造できます。ワイヤアーク積層造形法 (WAAM) は、堆積速度の向上、エネルギー効率の向上、コストの削減を実現します。しかし、WAAM には、鋳造時の微細構造特性 (多孔性、残留応力、偏析など) に関する欠点があります。超音波エネルギーは、MMNC の製造中にナノ粒子を効果的に分散させることが実証されています。この効果は、超音波プローブを溶融池に直接浸すことで生成されます。超音波は主に、音響キャビテーションと音響ストリーミングという 2 つの物理現象を引き起こします。しかし、UA プローブの直接浸漬が WAAM プロセスとナノ粒子の分散にどのように影響するかは明確に定義されていません。

米国オハイオ州立大学の最近の研究では、AA7075 MMNC の WAAM 中に、プローブを局所的な沈殿プールに直接浸漬することで、初めて超音波を適用しました。新たに開発された UA-WAAM システムに基づいて、さまざまなスケールの MMNC の機械的特性と微細構造に対する超音波の影響を包括的に分析しました。 「アルミニウムマトリックスナノ複合材料のガスタングステンアークベースのワイヤ付加製造に対する超音波の影響」と題する関連論文がMaterials & Designに掲載されました。

論文リンク:
https://doi.org/10.1016/j.matdes.2022.110393


この研究では、直径1.2mmのTiB2ナノ粒子強化AA7075溶接ワイヤと厚さ19mmのAA6061アルミニウム板を基材として選択しました。 UA-WAAM プロセスでは、上層での熱入力を減らし、移動速度を 1.5 mm/秒、層あたりの総移動時間を 1 分にして、基板上に 20 層を堆積し、プロセス全体を通じて平均高さ堆積速度を 0.9 mm/パスに維持しました。

研究では、準備プロセス中の脱ガスプロセスには超音波エネルギーとナノ粒子の両方が関与していることが判明しました。 TiB2 ナノ粒子およびその他の介在物は水素濃縮器およびキャビテーション核として機能し、キャビテーション閾値を低下させます。非金属核生成粒子の濃度はキャビテーションの発生に重大な影響を及ぼします。 UA の正弦波音圧場下では、溶融物内の濡れない粒子にキャビテーション気泡が形成され、気泡に変換されます。 UA によって誘発されるキャビテーション脈動は、整流拡散を通じて水素を気泡内に拡散させ、気泡の膨張を促進します。これらの気泡の一部は高圧サイクル中に破裂して衝撃波を発生しますが、残りはそのまま残り、臨界サイズまで成長を続け、溶融物の表面に浮かび上がります。 UA-WAAM 調製プロセスでは、超音波振動、ナノ粒子、およびそれらの相互作用により微細構造の改良が促進されます。


図1 堆積した最後の10層の断面マクロ形態


図2 UAなしとUAセグメントの逆極図


図3 UAなしのサンプルとUAありのサンプルの上部領域のBSE-SEM画像


図4 UAを含まないサンプル中の大きな粒子の凝集のEDS画像

この研究では、WAAM プロセスの超音波エネルギー効率を改善し、複雑な部品の大規模な製造の要件を満たす UA-WAAM システムの実現可能性と有効性を検証しました。 WAAM プロセス中のその場での超音波振動により、多孔性が低減し、凝固構造が改良され、TiB2 ナノ粒子のより均一な分散が実現することが示されました。これらの微細構造的特徴は、超音波誘起音響キャビテーションと音響ストリーミングに起因すると考えられます。従来の WAAM サンプルと比較して、UA-WAAM サンプルは引張試験と微小硬度の両方で優れた機械的特性を示しました。 UA は粒子の凝集を破壊し、粒子の濡れ性を向上させる上で重要な役割を果たし、それによって強化された相対的なマトリックス特性の強化効果を高めます。この論文では、UA を積層造形に応用するための理論的根拠を示します。
ナノ、金属、超音波、複合材料

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