武漢理工大学と華中科技大学 | 耐熱アルミニウム合金の積層造形に関する研究の進展

出典: Extreme Manufacturing IJEM
著者: Wu Chaoqun、Wen Jianyu、Zhang Jinliang、Song Bo、Shi Yusheng 機関: 武漢理工大学、華中科技大学住所: https://doi.org/10.1088/2631-7990/ad7f2e

航空宇宙や自動車などのハイエンド製造分野では、軽量で複雑かつ統合された主要部品の需要が高まっています。アルミニウム合金の付加製造技術は、軽量で複雑な部品の全体的な成形の問題を解決する効果的な方法となっています。既存の主要部品の高温使用および応用シナリオの需要は徐々に増加していますが、従来のアルミニウム合金の強化相は中高温域（250〜450°C）で急速に粗大化したり溶解したりし、降伏強度が大幅に低下するため、耐熱構造部品の使用要件を満たすことができません。代わりに、より高価で重いチタン合金が代替品として使用されています。そのため、「チタンをアルミニウムに置き換える」ことを実現し、部品の軽量化と経済性の両立というニーズを満たすために、積層造形用の耐熱アルミニウム合金の開発が急務となっています。現在、耐熱アルミニウム合金の積層造形は、積層造形分野における研究のホットスポットの1つとなっています。積層造形プロセスの特性に適した組成設計戦略と合金システムが最初に形成され、印刷/制御プロセス、耐熱相の形成と高温性能とその強化メカニズムを中心に広範な研究が行われています。

最近、武漢理工大学の呉超群教授、修士課程の温建宇氏、張金良教授（責任著者）は、華中科技大学の宋波教授、史宇生教授と共同で、SCIジャーナル「International Journal of Extreme Manufacturing」（IJEM）に「耐熱アルミニウム合金の付加製造における研究の進歩」と題するレビュー論文を発表しました。本論文では、積層造形における耐熱アルミニウム合金の印刷性能を向上させるための設計戦略に焦点を当て、既存のさまざまなアルミニウム合金システムの印刷性、微細構造、高温機械的特性、強化メカニズムを比較します。最後に、合金設計、プロセス革新、性能評価という 3 つの側面からこの分野を調査し、耐熱アルミニウム合金の付加製造の開発に関する新たな知見が得られました。

図1 耐熱アルミニウム合金の積層造形における課題、現状および開発動向。
背景耐熱アルミニウム合金の積層造形は厳しい技術的課題に直面しており、これは現在広く使用されているレーザー積層造形技術において特に顕著です。

1つは、積層造形が難しいことです。一方、アルミニウム合金は、レーザー反射率が高く、熱伝導率が高く、凝固温度範囲が広いという典型的なレーザー難加工材料です。印刷プロセス中、エネルギー利用率が低い、熱分布が不均一である、固液共存凝固の制御が難しいなどの問題に直面し、非常に簡単に亀裂が発生します。一方、高エネルギービームとアルミニウム合金原料との相互作用によって形成される微小溶融プールは冷却速度が速く、部品の残留応力レベルが高く、印刷中やその後の機械加工中に非常に割れやすくなります。要約すると、アルミニウム合金の特性と積層造形プロセスの原理の二重の制約により、アルミニウム合金の積層造形は、プロセス安定性の制御が困難、亀裂欠陥の抑制が困難などの技術的なボトルネックに直面しています。

2つ目は、高温性能の向上が難しいことです。耐熱アルミニウム合金の高温性能は、主に耐熱相の形成に依存します。積層造形の急速加熱・急速冷却プロセス特性により、過飽和アルミニウムマトリックスに大量の合金元素が溶解し、その結果生じる非平衡かつ不均一な構造は鋳造や鍛造の構造とは大きく異なり、相構成は複雑です。したがって、印刷性能要件を満たすことを基本として、積層造形の非平衡凝固特性をさらに活用し、耐熱相の析出を設計・制御し、積層造形プロセスの特性に合わせた耐熱アルミニウム合金を開発することが、高温性能向上の問題を解決する鍵となります。

最新の開発状況<br /> 印刷性能と高温性能の両方を満たすという二重の課題に直面し、積層造形用高温アルミニウム合金の研究開発には、①共晶凝固システムの構築、②接種処理という2つの主なアプローチがあります。接種剤と共晶系を添加したアルミニウム合金は、より大きなプロセスウィンドウ内で高密度成形を実現し、合金元素のスクリーニングを通じて優れた耐熱性を実現できるため、耐熱アルミニウム合金の積層造形の問題を解決する重要な手段となっています。

接種剤処理システム: 接種剤を添加したアルミニウム合金は、通常、Sc、Zr、Ti などの元素を合金粉末に予め合金化または混合することによって製造されます。積層造形プロセス中、優先的に析出した L12 構造の Al3X 相は、異種核生成として機能し、粒子を大幅に微細化し、粒界に固定することができます。さらに、TiB2、SiC、TiCN などのセラミック粒子を追加することでも同様の効果が得られます。現在最も一般的に使用されている接種剤は高価なSc元素であり、合金の良好な印刷性能を保証するだけでなく、製造された製品の耐熱性と強度を大幅に向上させます。現在の研究では、Sc を Ti、Zr、Si などの元素で完全にまたは部分的に置き換えることにいくらかの進歩がありました。

共晶凝固システム：積層造形耐熱アルミニウム合金の共晶システムには、主にAl-Ce、Al-Fe、Al-Ni合金が含まれます。これらの合金は、積層造形プロセス中に、金属間化合物（Al11Ce3、Al3Ni、Al6Fe など）の大きな体積分率を形成するため、材料に優れた印刷特性を与えるだけでなく、優れた熱安定性も与えます。ただし、二元共晶合金の強度は低くなります。この目的のために、研究者らは三元系（Al-Ce-Ni、Al-Ni-Cuなど）を設計し、MnやMgなどの一般的なアルミニウム合金元素を導入して改質したり、ScやZrなどの接種剤をさらに加えて粒子を微細化したりすることで、アルミニウムの強度を大幅に向上させました。共晶凝固システムは、積層造形技術を活用した有望なシステムです。

図2 接種剤の穀物微細化効果。 (a) 従来の粉末と機能化粉末の形成の違い。 (b) アルミニウム合金の積層造形中の不均一核生成。 (c) 従来の合金の柱状粒子と接種剤添加合金の亀裂のない等軸粒子。
図3 積層造形共晶アルミニウム合金。 (a) 作製したままの二元Al-Si合金の亀裂。 (b) 二元Al-Fe合金の状態図とその特性。 (c) 積層造形の凝固過程における二元Al-Ni合金の微細構造の進化。
図4 積層造形された耐熱アルミニウム合金の特性の概要。

今後の展望<br /> 積層造形による耐熱アルミニウム合金の開発は一定の進歩を遂げているものの、既存の材料改質方法は主に経験に基づいており、性能の有効な予測が不足しています。また、積層造形による耐熱アルミニウム合金のほとんどはPBF-LB（レーザー粉末床溶融積層造形）法で製造されていますが、これには限界があり、性能評価は主に高温引張特性に重点が置かれており、高温クリープ、疲労、耐食性などの重要な応用特性にはあまり注意が払われていません。これらの問題に対して、本稿では以下のような展望を示す。

合金設計の面では、（1）機械学習は欠陥検出と性能予測を通じて耐熱アルミニウム合金の開発を促進することができます。（2）フェーズフィールドシミュレーションは、準備中およびその後の熱処理中の製品の微細構造変化を定量的に予測し、合金開発と熱処理設計の指針を提供します。（3）有限要素解析は、溶融池の温度場と応力場の動的変化をシミュレートし、積層造形プロセスにおける冶金挙動を明らかにするのに役立ちます。

プロセスイノベーションの面では、（1）複合熱源付加製造技術（レーザー/アーク複合など）は、複数のプロセスの利点を組み合わせることができ、製造された製品の構造と性能をさらに向上させることが期待されます。（2）磁場や超音波などの補助エネルギー場を導入することで、溶融ダイナミクス、応力分布、微細構造の進化に影響を与え、合金の印刷性と性能を向上させることが期待されます。

性能評価と後処理の観点から、（1）耐熱アルミニウム合金の高温性能は、特定の応用シナリオと組み合わせて総合的に評価する必要がある。（2）耐熱アルミニウム合金の積層造形に適した熱処理システムを開発し、ターゲット相と微細構造を最適化する必要がある。

著者について

呉超群武漢理工大学

呉超群氏は、武漢理工大学機械電気工学部の学部長、教授であり、湖北省楚田学者プログラムの著名な教授です。ロボット加工、パワー超音波、振動騒音制御等の研究を主に行っています。彼は、国立自然科学基金、国防事前研究、湖北省の主要科学技術革新プロジェクトなどの研究プロジェクトを主宰しました。彼は 40 本以上の学術論文を発表しており、31 件の国家発明特許と 11 件のコンピュータソフトウェア著作権を取得しています。研究成果は、湖北省科学技術進歩賞一等賞（第1位）、中国発明協会イノベーション賞一等賞（第2位）、湖北省高等教育教育功績賞二等賞2位をそれぞれ受賞しました。

張金良武漢理工大学

張金良氏は武漢理工大学機械電気工学学院の教授であり、湖北省の楚田学者です。金属積層造形に関する研究に従事しています。過去 5 年間で、彼は筆頭著者/責任著者として 16 件の高レベル論文を発表しており、その中には ESI トップ論文賞 1 件、ESI ホットペーパー 1 件、高引用論文 2 件、ジャーナルカバーペーパー 3 件が含まれており、引用総数は 2,000 回を超えています。彼は第2代編集長を務め、「付加製造技術」というタイトルの教科書を出版しました。これは「第13次5カ年計画」の国家重点出版計画プロジェクトに選ばれ、現代機械工学に関する一連の高品質な教科書となりました。 1つのグループ標準の開発を主導し、3つの発明特許を取得しました。彼は「Advanced Powder Materials」、「Rare Metals」、「Journal of Central South University」などのジャーナルの若手編集委員を務めており、SCIジャーナル「Symmetry」の客員編集長も務めています。彼は、中国国家自然科学基金、湖北省自然科学基金、JG Horizontal Foundation などのプロジェクトを統括しました。研究成果は、2022年湖北省科学技術発明二等賞（第6位）、2021年中国非鉄金属十大進歩賞（第2位）、中国非鉄金属優秀博士論文賞を受賞した。

宋波華中科技大学

宋波氏は華中科技大学の教授であり、博士課程の指導者です。先進的な材料設計、上部構造設計、積層造形技術に関する研究を実施します。科学技術部の重点研究開発プログラム、中国国家自然科学基金優秀青年基金、教育部の共同基金のイノベーションチームの責任者。 2023年Eswell China Highly Cited Scholar、2022年中国機械産業科学技術イノベーションリーダー、2023年中国非鉄金属協会イノベーションチームリーダー、2021-2022年スタンフォード大学トップ2%グローバル科学者。中国語と英語で4冊のモノグラフを出版し、Materials Today、Nature Communications、Advanced Functional Materials、Acta Materialiaなどのジャーナルに130以上の論文を発表し、SCI引用数は4,000を超えています。また、「第1回全国4D印刷フォーラム」シリーズの会議を主催しました。彼は最初の受賞者として、2022年湖北省科学技術発明二等賞、2022年機械工業科学技術発明二等賞、2021年と2023年の中国非鉄金属における科学技術進歩トップ10を獲得しました。

石宇勝華中科技大学

石宇勝氏は華中科技大学の華中学者リーダーシップポストの著名な教授です。彼は現在、中国非鉄金属学会付加製造部門の会長、中国材料学会付加製造材料部門の会長、中国航天科技集団付加製造プロセス技術センターの専門委員会の委員長、および揚子江学者イノベーションチームのリーダーを務めています。主に積層造形用特殊材料の調製・成形技術に従事。その結果、発明特許399件、主要著者としての書籍・教科書9冊、論文704件が出版されました。国家科学技術発明賞準賞1回（1位）、国家科学技術進歩賞準賞2回（1位と3位）、中国科学技術進歩トップ10、中国インテリジェント製造科学技術進歩トップ10で各1回（ともに1位）、省レベルと省レベルの1等賞10回（1位6回）を獲得。また、国家革新先駆賞、全国優秀科学技術人材トップ10推薦賞、中国発明創業賞特別賞、湖北省五一労働勲章、武漢市科学技術主要貢献個人賞を受賞した。

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