金属3Dプリント（DED）高温合金機能傾斜材料における欠陥防止と削減

この投稿は warrior bear によって 2022-6-5 12:51 に最後に編集されました。

概要: 指向性エネルギー堆積法 (DED) は、高出力レーザーまたは電子ビームを金属材料に集中させ、その領域に供給された金属粉末を溶かして材料を堆積させる 3D 印刷方法です。 DED プロセスは、微細な微細構造と急速な凝固特性により、優れた機械的特性を備えています。また、2 つ以上のホッパーから複数の材料を同時に供給しながら、混合比率を調整することもできます。したがって、このプロセスでは、さまざまな混合比のさまざまな材料を生産できます。
しかし、異なる種類の材料を一緒に溶融すると、格子構造、残留熱応力、熱膨張係数 (CET)、およびその他の熱的/物理的特性の違いにより、2 つの異なる材料の界面で剥離や亀裂が発生する可能性があります。
2022年6月5日、アンタークティックベアは、このような問題を解決するために、釜山にある韓国海洋大学の研究者が傾斜機能材料の欠陥の原因と解決策を研究し、「指向性エネルギー堆積法で製造されたインコネル718とSTS 316Lの傾斜機能材料の欠陥と機械的特性への影響」と題する論文を「材料研究技術ジャーナル」に発表したことを知りました。

関連論文リンク: https://www.sciencedirect.com/sc ... 22000291?via%3Dihub
機能的にグレード化された材料
傾斜機能材料 (FGM) は、徐々に変化する界面特性を備えています。異なる材料を混合し、結晶化または配置を変更して、全体の構造に傾斜特性を生み出すことによって製造されます。つまり、単一の印刷オブジェクトで、さまざまなポイントで剛性と柔軟性を兼ね備えた iPhone ケースを作成できるということです。
FGM の実用的応用価値や、将来 3D プリンティングでどの程度広く使用されるようになるかについては、まだよくわかっていないのかもしれません。しかし、すべての問題が解決されれば、新たな応用の方向性が生まれることは間違いありません。
製造プロセスにおける一般的な欠陥は、3D プリント FGM の応用を制限する主な障害の 1 つです。研究チームは、欠陥がどこで発生したかを理解するために、さまざまな材料をさまざまな割合で混合するメカニズムを制御しました。
△レーザー出力と粉末供給速度に応じて断面に発生する欠陥の模式図
指向性エネルギー堆積法<br /> 研究者らが FGM コンポーネントを準備するために指向性エネルギー堆積 (DED) 技術を選択したことは注目に値します。積層造形業界では、指向性エネルギー堆積は粉末床溶融結合 (PBF) に比べてあまり注目されていません。この場合、研究者らは、316Lステンレス鋼とインコネル718ニッケル基高温合金という異なる材料間の界面層を調査しました。層間に亀裂や欠陥が発生する可能性がありますが、理想的には、材料同士を適切に組み合わせることでこれを軽減できます。
シム・ドシク教授は、「インコネル718は優れた特性を持っていますが、高価です。STS 316Lと混合して高性能FGMを作成することで、技術的および商業的利点だけでなく、経済的実現可能性も向上しました」と述べています。
研究チームは実験にOptomec LENSシステムを使用し、一連の部品を組み立て、勾配、レーザー出力、送り速度を調整しました。彼らは、インコネルの上に鋼を印刷し、10% と 25% の勾配バリアントを混ぜて、いくつかの部品を準備しました。勾配のないサンプルでは、2 つの材料の間に亀裂が生じました。対照的に、勾配サンプルでは、柱状結晶から等軸結晶への遷移形態（FGM 微細構造の遷移）と、チタン、アルミニウム、クロムなどの析出相または不純物の存在により、特定の領域にのみ亀裂が見られます。一方、25% グレードのサンプルは最高の引張強度と伸びを示しました。
△(a) 多層堆積のためのDEDプロセスとスキャン手順、および(b) DED装置の概略図
「これらの発見は、コストの削減、デバイス内のコンポーネントの寿命の延長、機能の向上など、この分野の改善につながるだろう」とシム教授は信じている。
現在、研究チームは形状とそれが結果にどのように影響するかを研究する予定です。 DED は、印刷システムの温度や気流の制御が不十分で、表面が粗いため、非常に粗雑な技術と見なされることが多く、プロセスには大規模なツールが必要になることが多く、最も複雑な部品を製造できないことを意味します。しかし、 PBFはキャビティのサイズによって制限されるため、大型部品 (長さ 1 メートル以上) は非常に高価になります。また、バインダージェット成形された大型部品は、未成形状態では自重により変形したり崩壊したりする可能性があります。 DED は、数メートル以上の構造物を製造する場合に最適な選択肢です。したがって、韓国の研究チームによって行われたこの研究は、DED をより実用的な生産技術へと進歩させる上で大きな意義を持っています。
研究成果<br /> 研究者らは、インコネル718とSTS 316LのさまざまなDEDプロセスパラメータを実験することで、一致するプロセスパラメータを確立しました。設定されたプロセス条件下で、インコネル 718 および STS 316L の FGM 堆積の可能性を評価しました。 FGMの堆積特性、機械的特性および微細構造を、非傾斜、傾斜（25）および傾斜（10）サンプルの条件下で調査した。結果は次のとおりです。
△インコネル718とSTS 316L粉末の異なる混合比で非分級材料と分級材料を調製する概略図
（１）異なるレーザー出力と粉末供給速度で多層堆積実験を実施し、堆積層と欠陥を分析した。欠陥や堆積した溶融プールの形状はプロセスパラメータによって異なることが確認されました。レーザー出力や粉末供給速度の変化に応じて発生する堆積欠陥を実験的に確認することができます。
（２）FGM堆積条件は、各粉末ごとに設定された条件に従って設定された。勾配のないサンプルでは、冷却速度、2 つの材料間の熱膨張係数、および SiO2 の違いにより、界面付近に亀裂が発生しました。等級分けされたサンプルでは、柱状から等軸への変態 (CET)、析出物、および Ti、Al、または Cr 介在物によって、特定の領域に垂直の亀裂が形成されました。
（３）等級分けされていない試料と等級分けされた試料の硬度特性を調べたところ、等級分けされた試料では滑らかな硬度変化が観察され、これは等級分けされていない試料のそれとは異なっていた。硬度の緩やかな変化は、インコネル 718 から STS 316L への連続的な組成変化によるものであり、FGM コーティングの有用性を実証しています。しかし、縦の亀裂が発生した部分では硬度が急激に低下しました。硬度が最も低い領域は、沈殿によって亀裂が発生した領域と一致します。
（４）非分級試料および分級試料の引張強度および伸びは、単一材料の堆積物と比較して低くなる。等級分けされていないサンプルと等級分けされたサンプルを比較すると、等級分けされたサンプル (25) は引張強度と伸びが比較的優れていたのに対し、等級分けされたサンプル (10) は引張強度と伸びが最も低かった。その結果、FGM の混合比率に応じて機械的特性が変化する可能性があります。したがって、FGM 堆積物の適切な混合比を選択することが重要です。

試験結果から、機械的特性は傾斜組成によって変化することが確認されたため、DED で製造される FGM では適切な傾斜組成を選択することが重要であることがわかりました。さらに、FGM の混合比によって機械的特性が変化するため、適切な混合比を設定し、割れを抑制するにはプロセスの最適化が必要です。 FGM堆積物（クラックが発生した混合比を除く）は、段階的（25）サンプルよりも広い混合比に設定され、基板を予熱しながら堆積物を生成し、堆積の各層に十分な滞留時間を設けることで、クラックを抑制し、FGM堆積物の機械的特性を向上させました。本研究では、将来的に、クラック発生領域を除去した後に、FGM堆積物は引張強度と伸びを向上させると判断されました。
スペースシャトルが大気圏を飛行する際、その燃焼室は 1000 ～ 2000 K の過酷な条件と温度に耐えなければなりません。この温度は非常に極端であるため、従来の複合材料では必要な性能基準を満たすことができません。この場合、複合材料の破損は、繊維がマトリックスから分離する層間剥離によって発生します。したがって、高温環境で使用される部品に FGM 堆積を適用すると、コストの削減と部品寿命の向上が実現されます。

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