6つの大学が共同でマグネシウム合金ジャーナルのレビューを発表：マグネシウム合金積層造形の最新の進歩と展望

出典: マテリアルサイエンスネットワーク

はじめに: マグネシウム合金は、軽量で高度なデバイスにおいて依然として重要な役割を果たしています。マグネシウム（Mg）の利用率は年々増加しており、マグネシウムベースの合金の需要が高まっていることを示しています。積層造形（AM）は、メッシュ状の部品を直接製造する可能性を提供し、マグネシウム合金の使用に関する新たな可能性と用途を開き、「3D プリント」によってもたらされる新しい物理的構造を活用するための新たな展望を提供します。ここでは、オーストラリア国立大学、シンガポール製造技術研究所、中国の湖南大学、米国のマサチューセッツ工科大学など、国内外のトップ6研究機関が、使用されたプロセスや測定された特性（従来の方法で製造されたマグネシウム合金との比較）など、これまでのマグネシウム合金の付加製造を包括的に調査します。マグネシウム合金の AM の課題と可能性は、機械冶金の分野で徹底的に検討されてきました。

マグネシウム（Mg）は密度が最も低く（1.74 g/cm3）、アルミニウム合金の約65％、チタンの約38％、鋼の約25％です。マグネシウム合金は比強度が高いため、自動車、家電製品、航空宇宙用途の軽量化に適した魅力的な材料です。マグネシウム合金も生分解性があり、弾性率は人間の骨と同等（約 45 GPa）です。マグネシウムイオン（Mg2+）は体内の多くの生化学反応に不可欠であり、代謝を促進し、骨芽細胞の増殖を媒介します。そのため、マグネシウム合金は、整形外科、顎顔面外科、心臓病学などの医療分野での使用も検討されています。現在までに、マグネシウム合金製品の 95% 以上が鋳造 (圧力ダイカストを含む) によって生産されていますが、鍛造マグネシウム合金の用途は、主に室温での成形性と加工性が不十分なため、限られています。

マグネシウム合金の付加製造（AM）は、従来の製造方法では実現できなかった設計機能や、これまで知られていなかった材料特性も実現できるため、材料業界でますます注目を集めています。付加製造には、設計の自由度 (およびトポロジーの最適化)、リソースの無駄の最小化、エネルギー使用量の削減など、いくつかの独自の利点があります。さらに、AM は従来の（形成的または除去的）製造ルートの制限を克服します。複雑な内部および外部形状を高精度で生成する能力により、精密な幾何学的特徴の開発が可能になります (図 1 の複雑な格子形状を参照)。設計の自由度により、トポロジー最適化と自由空間を設計変数として使用することで、最も軽量な人工金属をさらに軽量化できます。さらに、表面積の大きいコンポーネントは、生体材料として使用された場合、細胞の成長、増殖、および骨の再生を促進し、Mg 電極として使用された場合、大きな反応領域を提供します。 AM-Mg 技術は、整形外科や血管外科における高性能な生分解性インプラントに対する高い需要を満たし、患者固有のトポロジー最適化されたインプラントの製造を技術的に実現可能にすると期待されています。さらに、プロセスパラメータを正確に制御することで、カスタマイズされた微細構造と特性を持つ合金を生産することができます。これは、さまざまな AM 技術を使用して特性を強化した新しい Al、Fe、および Ti ベースの合金の製造に成功したことを報告した最近の研究によって実証されています。

しかし、AM-Mg 合金の分野での研究はこれまで限られていました。これは、マグネシウムの反応性（大気条件下で）に一部起因する可能性があり、マグネシウム粉末の酸化、蒸発、取り扱いに関するその他の問題に加えて、健康と安全に関する懸念が生じます。しかし、2010 年以降の研究結果 (図 2) が示すように、LPBF プロセスにおけるリスク管理は大きな成功を収めており、Mg 粉末ベースの添加剤法を日常的かつ再現性のある方法で使用して、さまざまな組成の Mg 合金を安全に製造できるようになりました。保護対策には、(1)マグネシウム合金粉末を適切な量で耐火タンクで取り扱い/保管すること、(2)制御対策が必要となる可能性のある状況を管理するための人員の訓練を行うこと、(3)静電気放電などの潜在的な発火原因をすべて除去することを含め、LPBFマシンのフィルターとプロセスチャンバーを準備および清掃すること、(4)積層造形前および積層造形中に反応ガスを制御することが含まれます。安全性の問題に加えて、LPBF-Mg 合金の開発を制限するもう 1 つの問題は、Mg 粉末の品質の一貫性です。 Mg 粉末の特性は継続的に変化するため、固定された LPBF パラメータは見つかりません。

レーザー粉末ベースの AM に加えて、焼結、ワイヤアーク積層造形 (WAAM)、摩擦撹拌処理、インクジェット方式など、さまざまな AM 方法が研究されてきました。これらのさまざまなアプローチが「AM」とみなせるかどうかはコミュニティ内でまだ議論中ですが、一般的な意味では「AM」戦略に従っていると認識しており、そのためこのレビューに含めています。付加製造技術は Debroy らによって好評を得ていることを考えると、このレビューでは、一般的な AM 技術ではなく、積層造形された Mg にのみ焦点を当てます。Mg は、Al、Ti、鋼などの他の AM 合金システムと比較して、多くの独自の特性を備えています。現在までに、Mg の付加製造に関する包括的なレビューがいくつか発表されているものの、AM-Mg における組成、処理、微細構造、特性の関係は体系的に調査 (または確立) されていません。この状況の主な理由の 1 つは、AM-Mg 合金の微細構造と特性の関係の結果が、さまざまなレポートで矛盾していることが明らかになったことです。このレビューの目的は、AM-Mg の最近の進歩を要約し、これまでに報告された結果を体系的に調査して批判的に分析し、AM-Mg の微細構造と特性を制御する主要な要因を明らかにすることです。要約すると、AM-Mg が直面しているいくつかの課題について議論し、将来の展望を示します。この研究は、「マグネシウム合金の付加製造における最近の進歩と展望」というタイトルで『Journal of Magnesium and Alloys』に掲載されました。

リンク: https://www.sciencedirect.com/sc ... 00688#fig0011最近

提示されたアプローチでは、最終的なアプリケーションは生産ルートの選択に関連します。たとえば、この論文でレビューした研究に基づくと、ほとんどの方法 (LPBF を除く) は生物医学的用途には適していないようです。対照的に、LPBF では製造できるコンポーネントのサイズが制限されます。しかし、積層造形法で製造された Mg 合金の可能性は非常に大きく、本論文の冒頭で紹介した機会 (ネットシェイプ、多様な合金組成、複雑な設計、カスタマイズなど) を実現する可能性はすべてあることは明らかです。しかし、このレビューでは、未解決の研究課題がまだ多く残っており、それらに答えるための試みは（単独でもコミュニティでも）これまで行われていないことも非常に明確に示されています。このような未回答の質問の一例としては、AM Mg 合金の延性が転位密度や残留応力によって悪影響を受けるかどうかが挙げられます。 AM マグネシウム合金の転位密度は適切に研究されていますか? また、その性能はチタンなどの他の六方最密合金と比べてどうですか?常にいくらかの蒸発が発生することを考慮すると、LPBF での AM Mg 合金の凝固はどのようになるでしょうか?待って。

図 1. レーザー粉末床溶融結合により、Mg 合金 WE43 から「Mg」の形状の格子構造が生成されました (画像提供: Meotec GmbH および Dr. M. Esmaily)。図 2. 粉末ベースの AM-Mg 研究開発の歴史的背景を示すタイムライン。AM を使用して Mg 粉末を焼結する最初の科学的研究以降の「マイルストーン」を示しています。図 3. 容積減少システムにおける円筒形および立方体形状の Mg 合金の LPBF 図 4. さまざまな温度での AZ91D 溶融池での Mg の蒸発速度 (J Mg) と合金元素比 (J Al、J Zn、J Mn – それぞれ Al、Zn、Mn の燃焼) (a) J Mg (b) J Mg/J Al (c) J Mg/J Zn (d) J Mg/J Mn。 (e) さまざまなサンプルの Mg/Al 重量比 (η) および η とレーザーエネルギー密度 (EV) のフィッティング関係。から転載。図5. (a) 処理ウィンドウと関連する欠陥の概略図、(b) 現在までに報告されているLPBF-Mg合金のエネルギー入力密度の関数としての相対密度、および(c) 相対密度が高いサンプル（≥99%）。図6. LPBFにおける純Mgの処理ウィンドウ。図 7. LPBF-AZ91 合金の EBSD 方位マップと SEM 画像図 8. EBSD 方位マップには、(a) バルク LPBF-WE43 サンプル内の細粒、等軸、ランダム配向の粒子、(b) 最後の溶融プール内の細粒、等軸、ランダム配向の粒子と、それらを取り囲む大きく不規則な形状の基底配向の粒子、(c) 大きく不規則な形状の基底配向の粒子が示されています。(d および e) 同じ材料から 2 つの異なる倍率で取得した EDXS マップ、および (f) XRD スペクトル。LPBF-WE43 には、金属間化合物や酸素に富む種など、さまざまな相が存在することを示しています。図9. (a) レーザー積層造形マグネシウム合金の引張特性と鋳造合金および鍛造（圧延および押し出し）合金の比較。 (b) Mg-9Alと(c) WE43の引張破面。図 10. 毛細管を介した架橋による Mg-Zn-Zr 粉末のバインダージェッティング、(a) 層厚 100 μm、溶液飽和度 70 のグリーン部品のマクロ写真、(b) Mg 粉末粒子の急速な 3D アセンブリを可能にするグリーン部品の固体粒子間架橋、(c) 焼結サンプルの原料の化学組成がゼロおよび変動を示す Mg-Zn-Zr 粉末、グリーン部品、焼結部品の化学分析。
概要: 上記のレビューと議論は、Mg 合金製造における AM の主なアプローチに関連する重要な側面をまとめたものです。 AM Mg 合金をうまく製造するために、完全に独立した研究グループによる広範な試みが行われてきたことは明らかです。使用された方法の中で、レーザー粉末床溶融結合法 (LPBF)、ワイヤアーク積層造形法 (WAAM)、摩擦撹拌積層造形法 (FSAM) はすべて、AM によるマグネシウム合金の製造能力を実証しています。要約すると、LPBF は、高い寸法公差、さまざまな合金、十分な強度、ただし延性には限界があるという点で有望です。WAAM は中程度の強度、ただし十分な延性、FSAM も中程度の強度、ただし十分な延性を示します。

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