高性能機能傾斜材料のレーザー積層造形に関する研究状況

この投稿は warrior bear によって 2022-3-19 20:36 に最後に編集されました。

出典：中国粉体ネットワーク

はじめに: 傾斜機能材料は、組成が連続的に傾斜変化する 2 つ以上の材料から構成される新しいタイプの複合材料であり、急速に発展している今日のエンジニアリング分野で広く注目を集めています。しかし、従来の傾斜機能性材料調製技術では、航空、医療、軍事などの産業分野のニーズを満たすことができません。新興技術として、付加製造は、傾斜機能材料を準備するという問題を解決するための新しいアプローチを提供します。

1 機能的に傾斜した材料

傾斜機能材料 (FGM) は、空間的に傾斜したコンポーネント、細孔、または微細構造を備えた高度なエンジニアリング材料であり、過酷な作業環境でも材料特性を維持し、部品の故障を回避できます。

傾斜機能材料の概念は、1984 年に日本の学者である新野正之氏と平井俊夫氏によって初めて提案されました。設計のアイデアは、厚さ方向に沿って連続的に変化する成分を持つセラミック/金属傾斜機能材料を使用して、材料内部の界面熱応力の問題を解決することです。機能性傾斜材料は、従来の複合材料と比較して、傾斜層内の成分の連続的な変化を実現し、層間の熱膨張係数や弾性率などの材料特性の差を低減し、界面応力を低減することで、材料の性能と信頼性を向上させるだけでなく、材料の複合特性も確保します。

現在、機能性傾斜材料は、当初の耐高温断熱材料から、バイオメディカル工学、原子力産業、航空宇宙、半導体オプトエレクトロニクス、国防・軍事産業にまで広がり、各国の専門家や学者からますます高く評価されています。

機能性傾斜材料の応用が広まるにつれ、長い製造サイクルと複雑なプロセスを伴う従来の製造技術では、カスタマイズ可能な複雑な形状の機能性傾斜材料を迅速に製造するというニーズにますます応えられなくなっています。機能性傾斜材料の開発を促進するには、より柔軟で効率的な製造技術が必要です。レーザー積層造形 (LAM) 技術は、コンピューター、数値制御、材料、レーザーを統合した、1990 年代に開発された新しい高度な製造技術です。

従来のマルチマテリアル積層造形とマルチマテリアル FGAM
レーザー積層造形の2つの原理

レーザー積層造形技術は微積分の考え方に基づいており、レーザーをエネルギー源として、あらかじめ設定された、または同期して供給される金属粉末に層ごとにレーザークラッディングを行い、材料を追加して層ごとに積み重ねることで固体部品を準備します。

レーザー積層造形の模式図上図はレーザー積層造形の原理の模式図です。まず、コンピュータ上で製造する部品の3D CADモデルを作成し、CADモデルを一定の厚さで薄く切断して、部品を複雑な3D構造から一連の2D平面構造に分割します。次に、各2D輪郭のスキャン軌道を設計し、処理されたデータをCNCシステムに送信してCNCコードを形成します。最後に、コンピュータプログラムの制御下で、レーザークラッディング法を使用して、設定されたルートに沿って粉末材料をラインごと、レイヤーごとに堆積させ、最終的に3Dソリッドパーツまたは少量の加工のみを必要とするブランクを形成します。

3 レーザー積層造形分類

レーザー積層造形技術は、世界中のさまざまな研究機関で比較的独立して開発されているため、さまざまな名前で呼ばれていますが、原理は基本的に似ています。最も代表的なレーザー積層造形技術は、同期粉末供給を技術的特徴とするレーザー溶融堆積（LMD）技術と、粉末床を技術的特徴とするレーザー選択溶融（SLM）技術です。

レーザー溶融堆積技術は、高エネルギーレーザービームを使用して基板の表面に照射し、溶融池を形成します。粉末供給装置は、溶融池に金属粉末を供給して急速に溶融させ、それによって金属基板との冶金結合層を形成し、基板の表面を覆って新しい金属層を形成します。

レーザー選択溶融技術とレーザー溶融堆積技術の違いは、粉末添加の形式の違いにあります。レーザー選択溶融技術では、レーザービームをスキャンする前に、粉末拡散ローラーを使用して金属粉末の層を基板上に事前配置します。次に、粉末は、プリセットされたスキャン軌道に従ってレーザービームを使用して選択的に溶融されます。各層が溶融された後、成形シリンダーはプリセットされた高さまで下降し、粉末拡散シリンダーはプリセットされた高さまで上昇します。粉末拡散ローラーは、別の粉末層を均一に拡散し、このプロセスは、必要な最終部品が形成されるまで層ごとに繰り返されます。

4 傾斜機能材料のレーザー積層造形に関する研究の進展

レーザー積層造形技術の重要な発展方向の一つは、高性能傾斜機能材料の製造であり、この分野は国内外の学者から広く注目を集めています。現在、高性能傾斜機能材料のレーザー積層造形に関する研究は、主に金属材料/金属材料、金属材料/セラミック材料などの組み合わせの研究に焦点を当てています。

図：勾配材料調製の概略図：勾配粉末層の敷設
4.1 金属/金属傾斜機能材料レーザー積層造形

金属材料は、他のエンジニアリング材料とは比べものにならないほど優れた総合的な物理的、化学的、機械的特性を備えています。近年、金属材料の微細構造を調整してその性能をさらに向上させることが、材料研究の主な方向となっています。金属材料に傾斜構造を導入し、もともと結合していた材料特性を破壊し、1つまたは複数の特性を個別に向上させることで、材料の全体的な性能とサービス性能を大幅に最適化および強化することができます。国内外の研究者は、先進的なレーザー積層造形技術を用いて、さまざまな種類の金属/金属傾斜機能材料を作製し、その組織特性などについて詳細な研究を行ってきました。

4.2 金属/セラミック傾斜機能材料のレーザー積層造形

1970 年代から、金属へのセラミックコーティングの製造に関する研究が行われてきました。金属表面改質を実現するためのレーザー付加製造技術の使用が徐々に発展したのは、1980 年代後半になってからでした。現在、この方法は金属表面改質において最も価値があり有望な技術の一つとなり、多くの分野で広く使用されています。

金属材料とセラミック材料の融点が異なるため、溶融金属プール内に強い対流が発生し、金属とセラミック間の結合が簡単に破壊される可能性があります。インサイチュ反応により生成された強化相は、マトリックスとの濡れ性が良好です。同時に、反応によって放出される熱は、セラミックと金属の濡れ性を高めるのに役立ちます。そのため、インサイチュで自己生成されたセラミック強化相は、マトリックスとより強固に結合し、界面結合の問題を解決する効果的な方法です。そのため、その場で自己生成される金属ベースのセラミック複合材料は、国内外の研究者から広く注目を集め、初期の成果を達成しました。

この分野では大きな進歩が遂げられていますが、さらなる研究と解決が必要な問題がまだ多く残っています。例えば、高性能傾斜機能材料のレーザー積層造形に現在使用されている金属材料は主にチタン合金に集中しており、他の金属材料に関する研究は比較的少ないです。さらに、研究の焦点は一般的に傾斜機能材料の微細構造の進化、相構成、および機械的特性試験にありますが、傾斜機能材料のレーザー付加製造におけるプロセスパラメータの選択と具体的な準備プロセスについては、まだ深い理解が不足しています。そのため、関連する多くの技術分野から十分な技術サポートが得られず、その応用が制限されます。

高性能機能傾斜材料のレーザー積層造形に関する研究状況

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