国産金属3Dプリント超二相ステンレス鋼粉末材料、遼寧省広達が量産開始

南極熊紹介：3Dプリントに代表される積層造形技術の急速な発展により、スーパー二相ステンレス鋼は海洋、化学工業、石油などさまざまな分野で使用され始めています。二相ステンレス鋼粉末の精密かつ制御可能な化学組成は、そのような粉末を製造する基礎であり、困難です。この記事では、生産の実践の観点から、さまざまな重要な技術を突破し、安定した大量生産を実現する方法を詳細に分析します。

高性能二相ステンレス鋼<br /> 二相ステンレス鋼（DSS）は、等しい体積分率のフェライト（α）とオーステナイト（γ）で構成された複雑な相構造の金属材料です。フェライト系ステンレス鋼とオーステナイト系ステンレス鋼の利点を兼ね備えており、優れた耐食性、高強度、良好な可塑性を備えています。表1は、第2世代二相ステンレス鋼2205、スーパー二相ステンレス鋼2507、スーパー二相ステンレス鋼2707に代表される代表的な二相ステンレス鋼の主な化学組成を示しています。表2は、これらの代表的なステンレス鋼の機械的特性を示しています。

△ 表1: 2205、2507、2707二相ステンレス鋼の主な化学組成（重量％）

△表2：2205、2507、2707二相ステンレス鋼の機械的性質[1]注：表に記載されているデータは最小値である
[1] ASTM A. A240/240M-耐熱クロムおよびクロムニッケルステンレス鋼板の標準仕様[J]。圧力容器用シートおよびストリップ、2001年。

二相ステンレス鋼は、石油化学産業、海洋工学、建設産業の分野で重要なエンジニアリング構造材料として長い間広く使用されてきました。その中で、2507に代表されるスーパー二相ステンレス鋼は、海洋、化学、石油工学用途向けに特別に設計されており、孔食抵抗相当PRENは40以上です。塩化物酸などの過酷な環境でも優れた耐食性と高い機械的特性を持ち、6Mo型スーパーオーステナイトステンレス鋼に匹敵します。図 1 は、沸点における 50% 酢酸とさまざまな含有量のギ酸の混合溶液中の二相ステンレス鋼とオーステナイト系ステンレス鋼の腐食を示しています。図 2 は、ASTM G482 (6% FeCl3) に従って測定された、溶体化処理した状態のさまざまなステンレス鋼の孔食および隙間腐食耐性の比較を示しています。

△ 図1 50%酢酸と異なる含有量のギ酸の沸騰混合溶液における二相ステンレス鋼とオーステナイトステンレス鋼の腐食（出典：サンドビック）

△ 図2 非溶接オーステナイト系ステンレス鋼（左）と溶体化処理二相ステンレス鋼（右）の臨界孔食（CPT）と隙間腐食温度（CCT）（ASTM G482に従って6％FeCl3溶液で測定）

大きな応用可能性

エネルギーと環境保護の問題がますます進展する中、潮力発電や原子力発電などの新しいエネルギー源が徐々に人気を集めています。潮力発電設備のタービンケーシングやブレード、原子力発電のバルブ、一部の脱硫装置のインペラなどは、ほとんどが鋳造二相ステンレス鋼で作られています。複雑な構造を持つ一部の二相ステンレス鋼鋳物は鋳造が難しく、欠陥が発生しやすいため、鋳造二相ステンレス鋼の機械的特性と耐食性が低下し、その開発が制限されます。
金属 3D 印刷技術は、付加製造技術 (AM) とも呼ばれ、構築されたデジタルモデルファイルに基づいて、金属粉末を使用してさまざまな形状の連続層を層ごとに印刷および積み重ね、複雑な構造の部品を製造するラピッドプロトタイピング技術です。従来の鋳造プロセスと比較すると、3Dプリントの最大の利点は、押し出し、鍛造、鋳造、二次加工などの従来の製造方法を介さずに、原材料から直接複雑な部品を自由に製造して希望の形状を得ることができ、材料の機械的特性は鋳造レベルに達するかそれを超え、鍛造レベルに達することができることです。

南極熊によると、遼寧省冠達新材料科技有限公司は、2021年8月にプロジェクトを立ち上げて以来、一連の二相ステンレス鋼金属粉末の研究開発を開始した。同社の研究開発エンジニアは、2205や2507などの二相ステンレス鋼の成分特性に基づいて合金化コンピュータ支援設計を実施し、さまざまな原材料が成分に与える影響を詳細に分析し、最適な材料比率を決定しました。また、このタイプの二相ステンレス鋼は窒素含有量が高く、組成範囲が狭いため、合金中の窒素含有量をいかに正確かつ安定的に制御するかも技術的な難しさです。プロジェクトチームは、N合金化の熱力学および運動学計算に基づいて、調整可能なN合金化制御プロセスを開発し、安定した正確なN制御のための技術的サポートを提供しました。当社が生産する二相ステンレス鋼シリーズのN管理レベルを図3に示します。すべての種類の二相ステンレス鋼のすべてのヒートのN含有量は目標範囲内に管理されており、ほとんどのヒートの2205のN含有量は0.16〜0.19％の間で安定的に管理でき、2507のN含有量は0.26〜0.30％の間で安定的に管理でき、2707のN含有量は0.42〜0.46％の間で安定的に管理できます。図4は、当社が生産した2507二相ステンレス鋼の各ヒートの主な合金元素の変化を示しています。図から、各ヒートのさまざまな合金元素の含有量は基本的に同じであることがわかり、当社の堅実な製錬制御能力を示しています。

△ 図3 各種二相ステンレス鋼のN制御能力

△ 図4 2507二相ステンレス鋼の主要合金元素の管理レベル

狭い組成の精密制御技術を習得した後、特定のガス噴霧プロセスと連携して、高品質の金属粉末の製造を完了する必要があります。この目的のために、研究開発チームはデータ駆動型アトマイゼーション技術を開発し、凝固時の相変化、凝固時の熱伝導率の変化、溶融金属の物理的特性（粘度、表面張力）などのパラメータのシミュレーション計算を完了し、「金属凝固プロセス物理的特性データベース」の完全なセットを確立し、二相ステンレス鋼のガスアトマイゼーションに完全なデータサポートを提供しました。図5～8は、2507二相ステンレス鋼の関連物理的特性のシミュレーション結果を示しています。

△図5 凝固中の2507二相ステンレス鋼の相変態シミュレーション結果

△ 図6 2507二相ステンレス鋼の凝固時の熱伝導率と温度の関係

△ 図7 2507二相ステンレス鋼の溶融金属粘度の温度による変化

△図8 2507二相ステンレス鋼液の表面張力と温度の関係

この「金属凝固工程物性データベース」を参考にして、二相ステンレス鋼の各グレードに合わせてガスアトマイズ工程を調整します。図9は、当社が製造した2507スーパー二相ステンレス鋼粉末（15〜53μm）のSEM顕微鏡形態画像です。粉末は球形度が高く、粉末表面が滑らかで、サテライトボールが少ないです。異なるブランドの二相ステンレス鋼粉末印刷部の粒子サイズ（15〜53μm）は非常に安定して制御されており、D10：18〜23、D50：32〜36、D90：52〜56、流量≦20秒/ 50g、嵩密度≧4.15g / cm3です。表3は、二相ステンレス鋼粉末の実際の生産ヒートの物理的特性を示しています。

△図9 2507粉末（15-53μm）の微細構造

△表3 実際に製造された二相ステンレス鋼粉末のいくつかのヒートの物理的特性研究開発チームは、二相ステンレス鋼粉末の組織学的検査も実施しました。図10と11は、エッチングされた状態の2507印刷断面（15〜53μm）粉末の金属組織顕微鏡写真を示しています。図から、粉末の内部は均一な等軸結晶構造を持っていることが明確に観察できます。腐食後、均一に分散した超微細粒の二相構造が明らかになり、2つの相の比率は約1：1です。

△図10 2507印刷断面（15-53μm）粉末腐食状態の金属組織写真（1000×）

△図11 2507印刷断面（15-53μm）の粉末腐食状態の金属組織写真（500×）

遼寧省冠達新材料科技有限公司は、研究開発に約4ヶ月を費やし、コンピューター支援による合金設計、雰囲気調整可能なN合金プロセス、データ駆動型カスタマイズガスアトマイゼーションなどの統合制御技術を通じて、連続二相ステンレス鋼のバッチ生産と安定生産に成功し、我が国の付加製造技術の発展と、海洋、化学工業、石油などさまざまな分野におけるスーパー二相ステンレス鋼のより広範な応用に貢献しました。

遼寧省グァンダについて

遼寧省冠達新材料科技有限公司は、遼寧省鞍山市ハイテク区レーザー工業園区に位置しています。当社は高級金属粉末と金属材料の研究開発と生産企業です。同社は主にニッケル基高温合金、コバルトクロム合金、鉄基ステンレス鋼、高エントロピー合金、二相ステンレス鋼などの各種高級金属粉末の研究、開発、生産、販売、およびパーソナライズされたカスタマイズに従事しています。
同社はニッケル基高温合金GH5188、GH3230、GH4099、GH4169、高エントロピー合金FeCoCrNiMn、AlCoCrFeNi2.1など、一連の高級粉末製品を開発・製造してきました。研究開発の過程で、ISO9001品質システム認証とGJB9001C兵器装備品質システム認証を取得し、合計14件の発明特許と実用新案、高温合金粉末製造技術の4件の発明特許を取得しました。国家ハイテク企業に認定され、遼寧省若鷲企業の称号を獲得し、国家3A信用企業認証に合格し、科学技術型中小企業の国家データベースに無事登録され、鞍山科学技術小巨人種子プロジェクトの審査に合格し、鞍山優秀科学技術イノベーションチームの称号を獲得し、鞍山官大金属粉末専門技術イノベーションセンターを獲得し、遼寧省の重点技術イノベーションプロジェクトに選ばれました。

同社は東北大学と「産学研」協力協定を締結し、遼寧省の2021年重点特別計画に共同で申請し、遼寧省工業技術研究院と2020年の「連携計画」プロジェクト契約を締結した。

市場面では、航空宇宙分野とハイエンド製造業に重点を置いています。産学研協力の技術優位性を生かし、同社の製品は航空宇宙、産業機械、エネルギーと電力、科学研究機関、医療研究、自動車製造、造船、電子産業に広く使用されています。特に航空宇宙分野では、同社の付加製造高温合金粉末が広く使用されています。主な協力単位には、中国航天科学産業集団の子会社、中国航天科学技術集団の子会社、中国航天科学技術集団の子会社、中国核工業集団の子会社、中国科学院の子会社、清華大学、北京航空航天大学などが含まれます。

同社は自主的な知的財産権を掌握し、高級金属粉末の自主管理を実現し、徐々に輸入に取って代わり、外国企業の市場独占を打ち破り、国内の付加製造業の発展に貢献することに尽力しています。

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