Acta Mater: LPBF 積層造形合金の微細構造に対するビーム成形戦略の影響

出典: 江蘇レーザー連盟

はじめに: この記事では、トップクラスの材料ジャーナル「Acta Materialia」で紹介されているように、3 つの異なるレーザービーム形状でのシングルパスレーザー積層造形中の 316L ステンレス鋼の微細構造の変化について説明します。

図0 結果のグラフによる要約

付加製造（AM）は、微細構造の制御を通じて複雑な形状を製造し、機械的特性をカスタマイズする上で独自の利点を持つ革新的な技術です。 AM 製造が直面する最大の課題の 1 つは、金属部品の製造に AM が使用される場合によく見られる粒子形態である柱状結晶 (長さ方向) の成長をいかに制御し、防止するかということです。本稿では、レーザービーム成形戦略を用いて等軸結晶（アスペクト比が 1 に近い）の形成を制御する微細構造制御メカニズムについて説明します。この戦略には、レーザービームの完全なスキャン軌道、超高速溶融プールの流体力学、および結晶粒成長のセルオートマトンを組み合わせた高度な予測シミュレーション技術を使用することによってのみ達成できる正確な熱プロファイリングが必要です。ガウス円形ビームと楕円形ビーム（横方向と縦方向）のレーザービームモードを使用して、316Lステンレス鋼の粉末床レーザー積層造形における等軸粒遷移を研究しました。楕円レーザービームの作用下で、大きなビーム関連特性を持つシーディングイベントを介して等軸結晶が生成される傾向を示します。さらに、レーザービームの切り替えなどの条件下でこの過渡的微細構造が形成されるさまざまなメカニズムを明らかにします。柱状結晶は、スキャン開始時に防止するのが難しく、その成長形態は、熱がない場合の溶融池の幅と深さの条件下では高温で過冷却であることを示しています。微細構造制御のための局所ビーム成形の物理的メカニズムを理解することで、将来的には複雑なビーム形状やビーム変調の設計に影響を与えることが期待されます。

背景積層造形（AM）は革新的な製造技術です。その中でも、粉末床レーザー積層造形法（LPBF または SLM）は、金属製造において比較的普及している技術です。 AM-LPBF 技術が直面している大きな課題は、製造部品の機械的特性のカスタマイズを実現するために微細構造をどのように制御するかということです。さらに重要なのは、印刷された部品の微細構造を理解して制御することで、最終的には微細構造を調整し、従来のプロセスでは実現できない特性を実現できるようになることです。

図1 316Lステンレス鋼粉末のシングルパス堆積中にレーザービームエネルギープロファイル（ビーム形状）が凝固構造に与える影響を調べるための統合シミュレーションフレームワークの概略図。 ALE3D は、Arbitrary Lagrangian–Eulerian three-dimensional の略語です。CA は Cellular Automaton の略語です。

付加製造された金属部品の粒径、凝固形態（平面結晶、細胞状結晶、樹枝状結晶など）、粒子組織などの主要な微細構造特性は、強度や靭性などの機械的特性に大きな影響を与えます。柱状結晶と等軸結晶は、Fe ベース、Ni ベース、および Ti ベースの合金の凝固領域における 2 つの一般的な凝固構造です。柱状結晶は比較的大きく、等軸結晶は比較的小さいです。巨大な柱状結晶は、クリープ耐性を向上させたり、特定の用途向けに強いテクスチャと異方性を持つコンポーネントを製造したりするために使用できます。一方、微細等軸粒子は、ホールペッチ強化に加え、表面付近の疲労寿命と粒界亀裂伝播に対する耐性を向上させることができます。したがって、AM 技術を使用してエンジニアリング目的の特定の特性を準備することは、準備プロセス中に柱状結晶と等軸結晶の相対的な体積分率とそれらの空間分布を制御することによって実現できます。

図2 基板が316Lステンレス鋼の場合の実験測定によって得られた結晶粒構造。

柱状結晶と等軸結晶間の遷移は、熱温度勾配と凝固成長速度の空間的・時間的変化によって特徴付けられます。適切な処理パラメータを選択して凝固パラメータを制御することで、粒子構造のカスタマイズを実現できます。例えば、Dehoff らは、Ni ベース合金 In718 の電子ビーム AM 製造において、スキャン戦略によって凝固パターンを調整し、テクスチャを制御できることを実証しました。彼らの研究では、パルス電子ビームと連続電子ビームの走査戦略を迅速に切り替え、電子ビームの動きを制御することでこれを達成しました。このアプローチにより、著者らはテクスチャの位置を制御することで、堆積層に効果的にテクスチャリングを実現できました。

図3 DREAM.3Dを使用して基板上に生成された統計的に等価な粒子構造

前述のスキャン測定によって達成される組織の制御に加えて、レーザービームのエネルギーを空間的および時間的に変調することで、粒子構造をカスタマイズする手段が提供されます。レーザービームの強度プロファイル（ビーム形状）は、アナモルフィックプリズムペアやデュアルビームマルチプレクサなどの光学系を使用して簡単に調整でき、微細構造を制御できます。 Roehling らは、レーザー出力、スキャン速度、スポットサイズを変化させた場合の円形ガウス (CG) ビームと楕円形レーザー強度分布が 316L のシングルパス積層造形 (SLM プロセス) に与える影響を実証しました。楕円形のレーザービームは、主軸（長さ方向、LE で示される）に平行に、また走査方向（横方向、TE で示される）に垂直に走査されます。結果は、楕円形のレーザービームが凝固構造に非常に重要な影響を及ぼし、レーザー出力と走査速度を変えずにビーム形状を局所化（つまり、ビーム強度のプロファイルを変更）することで結晶粒の形態を実現できることを示しています。さらに重要なことは、TE モードビームは等軸結晶または等軸結晶と柱状結晶の混合物を生成する能力があり、CG ビームモードと比較して処理パラメータ空間が広いことです。

図4 316LのL-PBFシングルパス積層造形中の粒子構造の変化。

図5 異なるレーザービーム条件下でt = 243 μsで得られた溶融プールの形状の比較。

この論文の目的は、ビームの形状を変更することで、形態（等軸晶系と柱状晶系）、サイズ、粒子組織などの主要な凝固微細構造特性を制御する際に関与する物理的メカニズムを説明することです。 L-PBF プロセスは、非常に瞬時かつ局所的な処理を特徴とし、複数の複雑な物理的影響 (溶融池内の激しい溶融流動、蒸発、急速凝固、熱サイクルなど) を伴うため、上記の要因が組み合わさって最適化が困難になり、凝固微細構造の動的変化を正確に捉え、試行錯誤を通じてのみ得られた微細構造とプロセスパラメータを相関させる必要があります。私たちのアプローチは、接種と粒成長の分析のためにセルオートマトンと結合した高精度の粉末スケールモデルを使用することです。このモードでは、レーザービームのパスを使用してレーザーと材料の相互作用を記述し、あらゆるビーム形状の熱形状を正確にシミュレートします (図 1a-b を参照)。このフレームワークによって行われる予測の品質は、その場での吸収測定の可用性と、さまざまな材料を使用した実験における溶融プールの深さの比較に依存します。

図6 レーザービームを変化させた場合の水平（ac）および横方向（df）条件下で得られた断面の凝固粒構造。

結果

シミュレーション結果から、溶融ゾーンにおける柱状結晶の外縁成長と等軸結晶の成長の競合と共存は、溶融池の形状とレーザー走査の動的変化に関係しており、レーザービームを変更することで制御できることがわかりました。粒子の平均サイズと強度は、レーザー強度プロファイルが縦方向楕円形 (LE)、円形ガウス形 (CG)、横方向楕円形 (TE) から減少し、溶融プールの幅と深さ、およびレーザーのオン/オフに応じて増加するため、溶融プールの影響を受けます。特に、溶融プールの形状の影響は、レーザー出力とスキャン速度に関連していると予想されます。

図 7: 異なるビーム形状で作製された、長さ中心方向に沿った断面における凝固結晶粒組織のテクスチャと対応する結晶粒形態 (IPF を使用して表され、製造方向 (BD) が各結晶粒の結晶粒基準方向に投影されます)。 MRD はランダム密度の倍数を表します。

まず、EBSD 技術を使用して、粒径とその分布、結晶組織などの基板の粒子構造を特徴付けました。結果を図 2 に示します。微細構造の統計結果は、DREAM.3D の入力パラメータとして使用され、基板上に統計的に同等の調整された粒子構造を生成します。図3に示すように、微細構造の統計的構造が再現されました。

図8 シングルパスレーザースキャンを使用した 316L ステンレス鋼の積層造形中の粒構造の進化。等軸結晶 (水色) と接種粒子 (色付き IPF) の部分溶融による柱状結晶の成長が含まれます。レーザービームの強度プロファイル: TE は横楕円を意味します。

316L のシングルパス L-PBF 作製中の結晶粒構造の変化は、XY 平面 (元の基板表面から 8 µm 下)、長さ方向に沿った XZ インターフェース、および横断面 (図 4(a) の垂直点線の X = 350 µm) を含む 2D 断面を通じて 3 次元で示されています。シングルパス L-PBF プロセス中、高度に局所化された凝固プロセスは、移動する溶融プールの過渡特性によって制限されることは明らかです。研究では、溶融池の形態特性はレーザービームの形状に非常に敏感であることがわかりました。これは、図 5 のさまざまなレーザービーム下での溶融池の視覚効果によって表すことができます。異なるレーザービーム条件下での断面ミラーの溶融境界を示します。

図9. レーザービームの形状を変えて得られた粒子構造。

私たちが提示した結果は、316L のレーザー積層造形におけるシングルパス、不均質、異方性の溶融ゾーンに関するものですが、これは 3 つの異なるレーザービーム形状すべてに当てはまり、完全な製造にも当てはまります。各 2D 断面の凝固粒子構造は、柱状粒子と等軸粒子の混合で構成されているようです。しかし、柱状結晶と等軸結晶の数密度、サイズ、空間分布、相対体積分率は、レーザービームの形状の変化によって大きく変化します。

図10. 溶融帯における接種により形成された粒子の空間分布と数密度。ここで、X はスキャン方向、Y は横方向、Z は添加剤の準備方向を表します。透明な灰色の平面は、レーザースキャン前の石材の表面を示しています。

図11 3つの異なるレーザービーム形状における温度勾配Gと液体-固体界面速度Rの瞬間的な変化。液体と固体の間のキノコ領域から選択されたシミュレートされたグリッドポイントに対して、特定の時間に局所的な G と R が計算されます。

図 12. 異なるビーム形状における優先接種点（下から見ると比較的赤い溶融池）の空間分布、t = 323 μs。

図13 レーザービーム形状が変化したときの溶融池の形状の変化。

結論は：

レーザー付加製造による 316L ステンレス鋼のシングルパス堆積中に得られた溶融プール形状の時間的変化と凝固粒子の 3 次元構造 (サイズ、形態、粒子テクスチャ) に対するレーザービーム形状の影響を、結合された ALE3D-CA を使用して体系的に研究しました。主な結論は次のとおりです。

（１）円形ガウスビーム（CG）と比較すると、横楕円ビーム（TE）は、走査方向、横方向、製造方向に沿ってそれぞれ短く、広く、狭い寸法を生成します。長さ方向（TE（横方向楕円））で得られた結果は正反対になります。

（２）単一レーザーチャネルの作用による溶融池の連続的な移動は、基板内の部分的に溶融した一次粒子のエピタキシャル成長を通じて柱状結晶の成長を促進する。柱状結晶粒は、溶融池による結晶粒の活性化（部分溶融）の量と成長方向によって特徴付けられ、主に溶融池のサイズと形状によって制御されます。柱状結晶の成長方向は、溶融池から基板への最大熱流の方向に従うため、動的変化は凝固中の溶融池の後端の局所的な位置に関連します。

（３）LEレーザービームの形状は柱状結晶の最も強い組織を引き起こし、次いでCGモードとTEモードとなる。

（４）レーザーを照射すると、繁殖傾向はビーム形状と密接に関係していることがわかった。接種量は溶融池の幅に応じて増加します。 TE プロファイルでもほぼ同様の結果が得られました。 CG と LE のプロファイルもほぼ同じ結果を生成します。この発見は、TE プロファイルレーザービームが広範囲のパラメータにわたって等軸結晶または等軸と柱状の混合結晶を生成するという既存の観察結果と一致しています。

（５）接種メカニズムは溶融池の形状特性によって示される：TEは最も広い過冷却範囲（熱温度勾配Gが小さく、液体-固体界面速度が大きいため、G/Rが小さい）を持ち、CGおよびLE形状のビームと比較して接種傾向が高い。

（６）レーザービームをオフにすると、接種傾向と溶融プールの深さの間に強い相関関係があることがわかります。つまり、接種傾向は溶融プールの深さとともに増加します。その結果、TE 形状のレーザービームでは接種イベントが少なくなります。

（７）最後の２つの発見は、溶融池の形状と微細構造の制御との関係が、レーザー出力と走査速度の相関関係につながるということである。

（８）参照凝固マップにおけるGとRの相対位置と過渡的シフトは、急速凝固や非定常状態の場合でもCAの結果と相関している。

（9）実際には、2D断面における等軸粒の形成を解釈する際には（EBSDを使用して粒の配向を特徴付ける場合でも）、等軸粒像は結晶粒が平面から外れて成長するときに開始がない場合に発生することが判明しているため、注意が必要です。物理的手法に基づく微細構造モデルは、3D 微細構造の実験的特性評価で直面する問題を回避できます。

図14 さまざまなビーム成形結果の例。

この戦略と研究結果は、レーザービームの強度と時間プロファイルを調整することによって達成される L-PBF 付加製造中に、指定された領域の微細構造のカスタマイズを実現するために役立ちます。また、この結果は、比較的単純な楕円形の梁がより複雑な梁の形状をシミュレートするのに役立ち、それによって粒子構造工学を通じて材料と機械的特性を最適化できることも示しています。連続レーザー積層造形に焦点を当てると、レーザースイッチング光の瞬間的な状態の分析を使用して、パルスレーザーを分析し、空間スキャンモードでの微細構造の動作を理解することができます。

ソース：
レーザービーム成形戦略を用いた金属レーザー粉末床融合積層造形法における微細構造制御、Acta Materialia、第184巻、2020年2月1日、284-305ページ、https://doi.org/10.1016/j.actamat.2019.11.053およびCivanウェブサイト

参考文献: 数値角度スペクトル法による基本ガウスモードのレーザービーム形状の解析、Optics & Laser Technology、第 118 巻、2019 年 10 月、75-83 ページ、https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2019.05.001

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