マックス・プランク研究所のネイチャージャーナル：高強度鋼のレーザー付加製造

出典: Additive Manufacturing Master and Doctor Alliance

レーザー積層造形 (LAM) によって製造された部品は、独自の熱処理を受けます。まず液体状態から急速冷却し、その後に固有熱処理 (IHT)、つまり複数の短い温度ピークからなる周期的な再加熱が続きます。指向性エネルギー堆積法 (DED) では、キャリアガスによってノズルから供給される粉末をレーザーで溶融して、部品を層ごとに構築します。指向性エネルギー堆積製造中に固有の熱処理が明らかになるため、微細構造を局所的に調整する機会が提供されます。ただし、これらの特定の条件を最大限に活用するには、新しい材料をカスタム設計する必要があります。従来の合金組成は、鋳造や鍛造などの他の処理経路に最適化されているため、レーザー積層造形プロセスで最適に機能することは期待できません。

最近の研究では、固有の熱処理によって鉄-ニッケル-アルミニウム (Fe-Ni-Al) 合金にニッケル-アルミニウム (NiAl) の析出が誘発される可能性があることが示されています。このマルエージング鋼には、2 つの重要な相変態特性があります。最初に、焼入れ中にオーステナイト-マルテンサイト変態を経て、柔らかくニッケルを多く含むマルテンサイトの微細構造が形成されます。このマルテンサイトはその後、二次相変態によって硬化し、金属間ナノ析出物を形成します。したがって、従来の方法やレーザー積層造形で製造された市販のマルエージング鋼（18Ni-300 など）では、特性を向上させる金属間析出物を形成するために高価な時効処理が必要になります。鉄-ニッケル-チタン (Fe-Ni-Ti) 合金系は、極めて高速な Ni3Ti 析出速度を示すため、固有の熱処理中の短い温度ピークを利用したインサイチュー析出硬化に非常に適しています。

指向性エネルギー堆積プロセスパラメータのデジタル制御により、これら 2 つの相転移を局所的に利用して微細構造を調整し、ダマスカス鋼にヒントを得た新しい材料を作成することが可能になりました。ダマスカス鋼の層状構造は、もともと硬鋼と軟鋼からなるマクロ複合材料を繰り返し折り曲げて鍛造した結果であり、複合材料に優れた強度と延性を与えます。ドイツの研究者たちはこの概念を利用し、折り曲げや鍛造ではなく、急速焼入れ、連続的なその場加熱、局所的な相変態を利用して層状の微細構造を作り出し、ダマスカスのようなマルエージング鋼を製造した。研究者らは、指向性エネルギー堆積の急速冷却と固有の熱処理プロセスを活用するために、Fe19Ni5Ti（重量％）合金を特別に設計しました。製造プロセス中の時間温度プロファイルを調整するために指向性エネルギー堆積プロセスパラメータを調整することにより、マルテンサイトの形成と析出、ひいては機械的挙動を正確かつ局所的に制御することが可能になります。この方法は、時間と費用のかかる処理後のエイジング熱処理を回避し、従来の熱処理では達成できない微細構造を局所的に調整する可能性も提供します。関連研究は「付加製造による高強度ダマスカス鋼」というタイトルで、世界トップクラスの学術誌「ネイチャー」に掲載されました。

論文リンク: https://doi.org/10.1038/s41586-020-2409-3

研究者らは、指向性エネルギー堆積プロセスを使用して、直方体の Fe19Ni5Ti (wt%) マルエージング鋼部品を製造しました。レーザー積層造形法として、指向性エネルギー堆積プロセスでは、4 層ブロックの堆積後に 120 秒間の一時停止を含むコンピューター制御の堆積戦略が使用されます。この一時停止中、レーザーはオフになり、サンプルは冷却されます。プロセスの概略図と顕微鏡写真を図 1 に示します。休止の結果、休止することなく連続的に堆積した各ブロックの上に暗い帯が形成されました。重ね合わせた硬度プロファイルを見ると、暗い帯状の部分が中央の 4 層ブロックよりも約 100 HV 硬いことがわかります。 mm-cm の長さスケール上のこれらの暗い帯は、図 1c にプロットされたダマスカス鋼の層状微細構造の最も粗い成分を表しています。

図 1 指向性エネルギー堆積法で製造された Fe19Ni5Ti サンプル図 2 は、レーザー積層造形法で製造されたマルエージング鋼の典型的な微細構造を示しています。これは、樹枝状結晶間領域に残留オーステナイトが現れる Ni マルテンサイトマトリックスで構成されています。オーステナイトは、樹枝状結晶間の領域に溶質が豊富に含まれるため安定しています。電子後方散乱回折（EBSD）は、硬い領域と柔らかい領域の両方が同様のオーステナイト分率とマルテンサイト形態を持っていることを示しています（図2a）。元素マッピングにより、2つの異なる長さスケールでのTi分布の不均一性が明らかになりました（図2bおよび2c）。（１）溶融池内の流体の流れ中に、予め合金化されたFe20Ni（重量％）粉末と元素Ti粉末の不完全な混合により、数百ミクロンの大きさのTiに富む領域が生じた。これらの混合の不均一性は、全体の相分率には影響を及ぼしません。（２）凝固中にTiが樹枝状結晶間領域にミクロ偏析すると、マイクロメートルスケールの領域にTiが濃縮される。図 2b は、硬質領域と軟質領域の間で合金元素の分布や濃度に明らかな違いがないことを示しています。

図 2 微細構造特性図 2c は、オーステナイトの安定化における Ti および Ni の微細偏析の役割を示しています。 EBSD マップを重ね合わせた電子顕微鏡写真。滑らかで暗い部分がオーステナイトであることを示しています。マルテンサイトは、表面が粗いほど二次電子をより多く放出するため、より明るく見えます。元素マッピングにより、樹枝状結晶間の領域のオーステナイトには Ti と Ni が豊富に含まれていることが示されました。これは直感に反するものです。なぜなら、Ti は通常、鋼鉄のフェライト安定化元素として分類されるからです。しかし、我々は状態図計算（CALPHAD）シミュレーションを使用してマルテンサイト形成の駆動力を計算し、Tiの濃縮によりオーステナイトとマルテンサイト間のギブスエネルギー差が減少することを示しました。この合金では、Ti はオーステナイト安定剤として機能します。これらの樹状突起と樹状突起間領域は、指向性エネルギー堆積中の急速冷却によって生成され、図 1c に示す階層的微細構造の中間コンポーネントを表します。

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