シンガポール国立大学ネイチャージャーナル：金属積層造形における小孔形成メカニズムの研究

出典: マテリアルサイエンスネットワーク

はじめに: 金属積層造形のプロセスでは、部品の多孔性により機械的特性が低下し、金属積層造形のさらなる応用が妨げられることもあります。特に、キーホール変動に関連するキーホール結合のメカニズムは完全には理解されていません。細孔形成のメカニズムを明らかにするために、熱伝達、液体の流れ、マランゴニ効果、ダルシーの法則を組み合わせたマルチフィジックス熱流体流動モデルを使用して細孔形成プロセスをシミュレートし、その結果を現場で検証しました。シミュレーション結果は、ピンホール不安定性による過渡的気泡の形成と、凝固前面に固定された過渡的気泡の動きを示しています。さらに、異なるレーザースキャン速度でのキーホールの形成を比較すると、キーホールは製造パラメータに敏感であることが示されます。さらに、低い周囲圧力でのシミュレーションでは、キーホールの安定性を改善してキーホールの形成を減らす、あるいは回避できる可能性が実証されています。

金属積層造形（AM）は、特殊なツールを必要とせずに複雑な形状の部品を作成できることで知られています。さらに、製品開発サイクルを短縮し、材料コストを節約できます。しかし、金属の付加製造には、機械的特性に悪影響を及ぼす製造上の欠陥が伴います。ワークピースの気孔は、極限強度を直接低下させる欠陥であり、部品の疲労強度や破壊強度にとっても致命的な欠陥です。このような欠陥の存在は業界で要求される基準を満たさないため、これらの業界での積層造形技術の導入を妨げます。この目的のために、AM プロセス中の気孔形成メカニズムを理解し、構築された部品の気孔率を制御するための多くの研究が行われてきました。さまざまな気孔欠陥の中でも、キーホールモード溶融時の気孔はレーザー溶接でよく見られる欠陥であり、広く注目を集めています。

実験によれば、気孔は通常は球形で、溶融池の底に集中しています。しかし、これらの実験では、孔の形成を直接観察することはできず、孔の形成メカニズムを定量的に説明することもできませんでした。最近、キーホールダイナミクスのその場X線画像化により、位置に応じて3種類のキーホールが特定されました。 (i)キーホール変動中にすぐに消えるキーホール壁の中央の棚にある一時的な泡、(ii)レーザーの停止または方向転換によるトラックの端にあるキーホール、(iii)キーホール変動による溶融プールの底にあるキーホールです。最初のタイプの気泡は、形成後すぐに除去され、孔形成メカニズムには重要ではありません。トラックの端の多孔性は、キーホールのダイナミクスに関係するだけでなく、レーザー走査パスによっても決まり、これらの多孔性は通常、プロファイル走査と後処理研磨によって低減または除去されます。したがって、キーホールの変動は最も重要であり、この研究の焦点となります。 L-PBF における粉末粒子とレーザーの相互作用は、キーホールの変動とキーホールの形成にのみ影響します。ランダムに詰め込まれた粉末粒子の影響を排除するために、現在の研究では裸のボードのみを考慮します。

キーホールダイナミクスの数値シミュレーションは、キーホール孔の形成メカニズムを理解するための補完的かつコストを節約し、効果的なアプローチです。 Martin らは、線路の端にある鍵穴をシミュレートし、これらの隙間を減らすための戦略を開発しました。 Lin らによるシミュレーション結果では、レーザーの入射角を調整することで、レーザー溶接中のキーホールの数を減らすことができることが示されました。 Bayat らは、キーホール開口部と入力電力の関係を研究し、シミュレーション結果を実験結果で検証しました。 Tangらのシミュレーション結果によると、AM中のエネルギー密度の増加に伴い、溶融池の底に球状の細孔が形成されることが示されました。 Tan らによるシミュレーションでは、周囲圧力が低下すると細孔サイズが減少することが示されました。

現場実験やこれまでのシミュレーションにより、ピンホール細孔形成に関する経験的観察は行われてきましたが、ピンホール表面の反動圧力分布、エネルギー分布とピンホール変動の関係、ピンホール細孔形成中の溶融プールの流れなどの基本原理は依然として不明です。

この研究では、シンガポール国立大学機械工学部のヤン・ウェンタオ教授のチームが、マルチフィジックス場の熱流体流れモデル、熱伝達、溶融池の流れ、マランゴニ効果、金属蒸発反跳圧力、ダルシーの法則、レーザー光線追跡をサンプリングして、キーホールの変動とキーホールの形成プロセスをシミュレートしました。瞬間的な気泡形成と凝固前面のシミュレーション結果をX線画像化結果に基づいて検証し、レーザー走査速度の増加に伴うキーホール深さ変動、吸収エネルギー分布、キーホール穴サイズ、溶融池流量および力の変化傾向を分析して、そのメカニズムと影響を説明しました。さらに、真空に近い周囲圧力下での溶融池の流れをシミュレートすることで、キーホールを減らす、あるいはなくす方法も検討されました。関連研究は「金属積層造形におけるキーホール細孔形成のメカニズム」というタイトルでネイチャー誌に掲載されました。

リンク: https://www.nature.com/nature/research-articles

ピンホール形成プロセスには、(i) 一時的な気泡形成と (ii) 凝固前段階でのピンニングという 2 つの異なる段階があります。一時的な気泡の形成は、主にキーホールの不安定性（キーホール後壁にかかる不均衡な力）によって発生します。凝固前面での気泡ピンニングプロセス中、気泡の下の高流速により垂直方向の抵抗が瞬時に発生し、気泡が溶融池表面に浮上するのを妨げます。気泡は最終的に凝固前面に捕捉され、小さな気孔を形成します。

キーホール表面への反動圧力が不均一に分散されると、キーホールが崩壊してキーホール穴が形成される可能性が高くなります。さらに、マッシーゾーンからの抵抗は、溶融プールの底部のピンホール変動を決定するため重要です。抗力とキーホール変動の計算精度を向上させるには、AM の粒子形態を考慮した Darcy 抗力モデルが必要です。

図 1. キーホール不安定性による一時的な気泡の形成。 a～c はキーホール不安定性のX線画像化結果です。 d–f、g–i、j–lは、シミュレーションケース1の速度、反動圧力、キーホール表面温度です。レーザーの位置とスキャン方向は a と d で示されます。シリーズ b の矢印は速度の方向を示します。 d の黒い破線の円は、前面の鍵穴の壁にある突起を示しています。 e の黒い破線の円は、新しくできた鍵穴を示しています。 g の赤い破線はレーザーの位置を示し、キーホールを後部コンポーネントと前部コンポーネントに分割します。 b-lの白い実線は固体温度Tsの等高線です。通常の周囲圧力では、Ti-6Al-4Vの沸騰温度は3315 Kであり、jlはキーホール表面の沸騰面積を表します。図2 ケース2のキーホール孔形成過程における溶融池内の速度場。 a の黒い点線の円がミニ鍵穴です。 be のバブル b は、鍵穴が崩壊する瞬間のバブルです。 a～eの白い実線は固体温度Tsの等高線です。図3 キーホール穴形成プロセスの模式図。金属の蒸発によって発生する反動圧力（Pentertainment）、流体動圧（Pl）、表面張力圧力（Ps）、およびマッシーゾーン抵抗（FD）により、キーホールが不安定になり、気泡b1とb2が生成されます。ベルヌーイの原理により、気泡は直接浮かんでは消えず、凝固前面に捕捉されます。図4 鍵穴と鍵穴の特徴。 a～c ケース2（525 mm.s−1）、ケース3（500 mm.s−1）、ケース4（475 mm.s−1）のキーホール穴（t = 2000 μs、走査トラックの中心面）。 d、e シミュレーションと実験の最大キーホール開口部と平均キーホール深さ。 f キーホールの深さは時間の経過とともに変動します。 b1、b2、b3はそれぞれケース2～4における最大の孔です。 a の b01 は、シミュレーションケース 2 で 2 番目に大きい細孔であり、e で示されます。比較しやすいように、シェル番号とレーザースキャン速度が d、e に一緒に表示されます。 e のエラーバーはキーホール深さの標準偏差です。図 5 ケース 2-4 の溶融プールの速度場。ケース 2 (a、d)、ケース 3 (b、e)、ケース 4 (c、f) における t = 2000 μs での溶融プール内の a–c 速度の大きさと d–f 流線。 a～c の白い実線と d～f の灰色の等高線は、固体温度 Ts の等高線です。図6 ケース2-4におけるキーホール表面のエネルギー吸収率a 鍵穴の表面全体、b 鍵穴の前壁、c 鍵穴の後壁。図7 10−4気圧（ケース5）下での溶融池の流れのシミュレーション結果（t = 2000 μs） a 温度分布、b 速度振幅分布、c 溶融池内の流線。 aの白い曲線は液相温度Tlの等高線であり、bの白い曲線とcの灰色の等高線は固体温度Tsの等高線です。図8 異なる周囲圧力下でのキーホール表面温度と反動圧力の比較。 a、b 沸点を超える温度場と、c、d 通常の周囲圧力 (ケース 3) および低い周囲圧力 (ケース 5) 下でのキーホール表面の反動圧力。 a、c、b、dはそれぞれケース3とケース5のシミュレーション結果です。 a と b の白い曲線は固体温度 Ts の等高線です。図9 ケース3（1 atm）とケース5（10−4 atm）のキーホール深さとエネルギー吸収率。aキーホール深さ、b総エネルギー吸収率、キーホール前壁のエネルギー吸収率、dキーホール後壁のエネルギー吸収率。
開口部の直径は製造パラメータに非常に敏感です。レーザースキャン速度をわずかに上げると、小穴の開口が大幅に減少し、小穴の形状が球状になり、溶融池の底に水平に分布します。さらに、気孔変動やエネルギー吸収率変化の特性は、気孔形成の可能性を予測する基準として使用できます。低い周囲圧力は、ピンホールの形成を減らす、あるいは完全に排除するための実行可能なアプローチです。通常の周囲圧力に比べ、低環境下ではキーホール後壁の反動圧力が大きくなり、安定したキーホール形状が維持されます。

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