中性子は、研究者が3Dプリント部品の応力の減少をリアルタイムで観察するのを助けます

出典: 江蘇レーザー連盟

成形、鋳造、成型などの製造工程中に材料が受ける熱、圧力、力により、製造された金属部品に内部の不整合が生じる可能性があります。これらの不一致には、変形や不均一な微細構造、つまり「歪み」が含まれ、部品の亀裂や故障につながる可能性があります。

△ ゼネラル・エレクトリックは、中性子実験を利用して、3D プリントされた部品が壊れるかどうか、またどこで壊れるかを予測するのに役立つ改良されたコンピューターモデルを開発しています。オークリッジ国立研究所
製造された部品の内部歪みを軽減するために、アニーリングなどの製造後の熱処理が非常に一般的になっています。アニーリングは、製造された部品を高温に加熱して内部応力を軽減または除去するプロセスです。

GEグローバル・リサーチとカリフォルニア大学バークレー校の科学者たちは、部品の設計と熱処理を改善するために生産モデルの改善に取り組んでいます。最近の研究では、3D パーツを層ごとに構築、つまり「印刷」する技術である積層造形 (AM) を使用して作られたパーツに焦点を当てました。米国エネルギー省オークリッジ国立研究所（ORNL）での中性子実験では、AM プロセスに関連する内部応力の形成が分析されました。「その場中性子イメージングによる付加製造されたインコネル 625 の残留ひずみ緩和と優先結晶粒配向のモニタリング」と題されたこの研究結果は、Additive Manufacturing 誌に掲載されました。

△ 3次元座標測定機は、同じプロセスパラメータを持つサンプル群に対して歪み測定を実行し、部品間のばらつきを表示します。カラーバーは変位をミリメートル単位で示します。
この研究は、レーザーを使用して構造材料を溶かして堆積させるレーザーベースの AM を使用して製造された部品を対象としています。溶融した材料（通常は粉末状の金属またはプラスチックから始まり）は、別の層がその上に堆積される前に急速に冷却され、硬化します。

レーザーベースの AM では、構築プロセス中の急速な加熱と冷却により内部歪みが生じる可能性もあります。焼きなまし処理によって内部応力を軽減できますが、熱が多すぎると材料に望ましくない構造変化が生じる可能性があります。

研究者らは、ORNL の VULCAN ビームラインで中性子回折を使用し、一般的な金属合金であるインコネル 625 の製造直後のサンプル内部の高い残留ひずみを測定した。その後、別の補完的な技術である中性子イメージングが ORNL の SNAP ビームラインで使用され、部品の焼きなましによって内部応力がどのように減少するかがリアルタイムで測定されました。予備的な較正実験は、日本大強度陽子加速器研究センター（J-PARC）のNOBORUビームラインで実施されました。

△平均化なしのシミュレーション結果（a）と部品の厚さを平均化した後のシミュレーション結果（b）の比較。
「レーザー振幅変調を使用すると、溶融する表面層は非常に高温になりますが、その下の層はすでに冷えています。この温度変化によって内部応力が生じ、ひび割れにつながる可能性があります」と、GE グローバルリサーチの主任エンジニアであるアデマキンデ氏は語ります。「中性子は、アニーリングプロセス中に炉壁をリアルタイムで透視するのに役立ちます。加熱中に材料の応力が軽減される場所と温度を確認します。これはバランスの問題です。応力を軽減するには材料を加熱する必要がありますが、望ましくない構造変化を防ぐために高温になりすぎないようにする必要があります。」

得られたデータは、GE が製造プロセスのコンピューターモデリングを改善し、印刷された部品の機械的故障を削減または排除するのに役立ちます。たとえば、モデルは、製造中に発生する内部応力を最小限に抑えるために部品の形状を変更することで、部品をどのように強化できるかを示すことができます。また、レーザービームの幅やレーザーの移動速度を変更することで生産品質が向上するかどうかも示せます。

「SNAP ビームラインでの中性子イメージングは、世界でも数少ない中性子施設でしかできないため、実験を容易にします」と、カリフォルニア大学バークレー校の物理学者アントン・トレムシン氏は語ります。「確かに、X 線回折測定では、特定のポイントでのひずみ緩和を監視できます。しかし、中性子イメージングでは、バルク材料全体を同時に、非常に高い空間分解能でリアルタイムに観察できます。これらのデータは、新しい非破壊検査技術のための計測機器やデータ分析方法の開発に役立ちます。」
△サンプル2-2のひずみ線図をSNAPビームラインで測定した。 (a) 室温から680℃までの加熱プロセス。室温画像は 2 時間にわたって積分され、高温画像はすべて、アニーリングプロセスの時間スケールに合わせて 10 分の積分時間で取得されました。温度は加熱プロセス中の平均値です。議論では領域 1 および 2 として指定された長方形が使用されます。(b) 700°C で 40 分間アニールした場合のひずみプロット、(c) 875°C で 40 分間アニールした場合のひずみプロット。すべての画像は 10 分かけて統合されました。各画像のタイムスタンプは、アニーリングの開始を参照します。
研究チームは、3Dプリントされた各部品を真空炉で華氏1,300度または1,600度（摂氏700度または875度）で数時間焼きなました。この真空炉では、中性子が壁を容易に貫通し、内部の歪みが緩和されるにつれて部品全体を画像化することができます。低温では圧力解放は 1.0 ～ 1.5 時間で完了しますが、高温では数分しかかかりません。

「製造工程中、内部ひずみの量と分布はレーザービームの速度、レーザー出力、その他のパラメータに関係しています」と、ORNLの核破砕中性子源（SNS）のVULCANビームラインの主任機器科学者であるKe An氏は語った。実験データは非常に貴重であり、構造の完全性を損なうことなく部品をより速く焼きなます方法をより深く理解できました。これにより、GE と他の業界研究パートナーは、自社の製品設計と生産プロセスを改善する方法を自信を持って予測できるようになりました。 ”

△1領域0における時間と温度に対するひずみ分布のヒストグラムは、アニーリングの開始として定義されます。この図では、ヒストグラムデータが収集された温度を色分けされた実線の円で表しています。
「この研究は、産業界、学界、DOEの研究所が現実世界の課題にどのように協力できるかを示している」と、ORNLの高中性子束同位体炉（HFIR）の画像ビームラインの主任科学者、ハシナ・ビルヒュー氏は述べた。「ORNL は、世界中の中性子ユーザーコミュニティに補完的な回折および中性子イメージング技術を提供できる米国で唯一の施設です。また、高速データ取得と分析の専門知識も提供しています。」

ビルヒュー氏は、SNSで現在建設中の金星イメージングビームは、ユーザーが扱える中性子エネルギーの範囲が広がるだろうと付け加えた。ユーザー実験も、アップグレードされた SNS 線形加速器のより強力な 2.0 MW 陽子出力の恩恵を受けることになります。「VENUS は、高温や高圧などの極限条件下でのデバイスの構造的および機械的挙動の強化された画像化を可能にします。ユーザーは、独自のパルス源中性子画像化技術を活用することで、より広範囲の材料、製造、生産プロセスに対する理解を深めることもできます。」

「GEでは、これらの実験から得られたデータと、ORNLの中性子施設の使いやすさに非常に満足しています」とマキンデ氏は語った。「ビームラインには必要な機器がすべてすでに設置され、調整されているので、たとえば真空炉を自分で用意する必要はありません。SNAP ビームラインの炉は温度管理されており、すべてが同期されているため、正確なデータ収集が保証されます。」

GE の科学者たちはこのデータを活用して、3D プリントされた部品が壊れる可能性があるかどうか、またどこで壊れる可能性があるかを予測するのに役立つ改良されたコンピューターモデルを開発しています。その後、内部応力を軽減し、設計を最適化する方法を決定して、そのような欠陥を防ぐことができます。

出典: 積層造形されたインコネル 625 の残留ひずみ緩和と優先結晶粒配向をその場中性子イメージングでモニタリング、Additive Manufacturing (2021)。DOI: 10.1016/j.addma.2021.102130

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