粉末床の選択的レーザー溶融法を用いた三次元金属セラミックス複合材料部品の製造

粉末床の選択的レーザー溶融法を用いた三次元金属セラミックス複合材料部品の製造
寄稿者: Qi Chenyun、Lu Zhongliang 寄稿部署: 西安交通大学機械製造システム工学国家重点研究室

粉末床を使用する選択的レーザー溶融 (SLM) 技術は、異なる材料で作られた部品やコンポーネントを直接製造するのには適していません。この制限により、SLM 製造プロセスは特定の技術には使用できません。たとえば、複雑な形状の部品を 1 つのステップで製造する場合、金属導体と誘​​電体を組み合わせると、小型のマイクロ波部品を形成するのに非常に有利ですが、このプロセスだけを使用するソリューションはありません。

この点に関して、フランス国立宇宙研究センターのフレデリック・ベロンら[1]は、AlSi12合金を化学処理により予め活性化し、その後SLM技術を用いて金属と高誘電率セラミックスを組み合わせた3次元構造を製造する方法を提案した。アルミニウムは空気中で容易に酸化され、緻密な酸化アルミニウム膜を形成するため、研究チームはこの不動態化とアルミニウムの酸化特性を利用し、粉末床上でレーザー溶融することにより、金属とセラミック領域を含む部品を製造した。

実装方法は2つの部分に分かれています。 まず、AlSi12合金粉末を異なる濃度の水酸化ナトリウム溶液で化学的にエッチングしました。 ここでの目的は、合金粒子を覆っている薄い保護層を変換して、酸化に対する保護力を弱め、活性化された AlSi12 粉末を得ることです。 下の図は、合金粉末を水酸化ナトリウム溶液で処理した後、初期の粒子表面の非常に細かく緻密な酸化物層が化学処理によって大幅に変化していることを示しています。 さらに、化学処理後に粉末表面層の光学特性が変化し、SLM装置のレーザー波長(1070 nm)での粉末の吸光度が0.65から0.8以上に増加し、成形効率の向上に役立っています。 水酸化ナトリウム処理は合金粉末の反応性を高めるためのものですが、合金粉末は主な金属特性も維持する必要があります。溶融後、これらの粉末は導電性金属領域を形成する必要があります。したがって、活性化後、圧縮後に導電性をテストする必要があります。

図1 未処理のAlSi12粉末と、異なる濃度のNaOH溶液で処理したAlSi12粉末の圧縮粒子の走査型電子顕微鏡写真。

2 番目の部分は、活性化された AlSi12 合金粉末を SLM 装置で処理することです。成形パラメータを適切に調整することで、金属導電領域とセラミック誘電体領域を組み合わせた部品をレーザー粉末床溶融結合法で製造しました。

まず、製造室の雰囲気として大気を選択し(酸素20%、窒素80%)、固化層の厚さを50μmに設定し、レーザービーム径は約75μmとし、金属導電領域を製造する際のレーザー出力は60W、走査速度は100mm·s-1、2つのレーザービームパスの間隔は50μm、レーザーエネルギー密度は12J·mm-2とした。得られた材料はアルミニウム-シリコン金属合金であった。アルミニウムの部分酸化により、この金属合金のアルミニウム含有量は、出発AlSi12粉末の含有量よりも少なかった。少量の酸化物が存在するにもかかわらず、SLMによって得られた合金は導電性であった。セラミック誘電体領域を製造する際、レーザー出力は60W、走査速度は1000mm·s-1、2つのレーザービーム経路間の距離は1μm、レーザーエネルギー密度は60J·mm-2であり、得られた材料は酸化アルミニウムであった。得られたサンプルは下図の通りで、4 つの部分は金属で、白い部分は誘電体セラミックです。誘電体セラミック領域は、主に酸化アルミニウムで構成される材料のように完全に白色ではなく、サンプル内に金属シリコンが存在することを考慮すると、観察される灰色の色合いは、少量の金属凝集によって生じた可能性があります。


図 2. 導電領域 (黒) と誘電体領域 (灰色) で構成されるマルチマテリアル部品。

しかし、図3に示すように、セラミックスと金属の界面は完全に滑らかではなく、厚さ約200μmで酸化物と金属の相互浸透が観察されます。この現象の改善については、まだ研究の余地があります。


図3 SLM成形されたマルチマテリアル部品における金属領域と誘電体セラミックの界面

参考文献:

Cheng B、Wei F、Teh W、他 大気圧下でのレーザー粉末床溶融結合によるニッケルフリー高窒素オーステナイト系ステンレス鋼の製造[J]。 付加製造、2022:102810。



レーザー、粉末、セラミック

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