レーザー積層造形高温合金の高温疲労性能に対する厚さの影響に関する研究

レーザー積層造形高温合金の高温疲労性能に対する厚さの影響に関する研究
出典: 材料科学と工学

近年、主要部品の軽量化と構造機能の統合を実現するために、薄壁、グリル、トラス、流路などの複雑な幾何学的構造を持つ部品の製造に積層造形(AM)技術が徐々に適用されてきました。しかし、数百ミクロンから数ミリメートルの厚さの薄肉部品では、厚み効果(薄肉効果)が現れることが多く、幾何学的スケールの縮小に伴って機械的特性が大きく変化します。その結果、積層造形された薄肉部品の信頼性評価は、従来の設計基準に完全に従うことができません。薄肉部品の疲労性能に対する厚さの影響を定量的に記述し、疲労性能の安定性に対する部品サイズの境界条件を明確にし、薄肉部品の疲労性能に対する厚さの影響を低減するための効果的な戦略を確立する方法は、AM 技術の応用分野において緊急に解決する必要がある重要な問題となっています。


最近、東北大学材料科学工学部の張斌教授のチームは、中国科学院金属研究所、太航実験室と共同で、インコネル718合金のレーザー粉末床溶融結合(LPBF)成形を研究対象とし、薄肉試験片の厚さ(0.25mm~2.0mm)と均質化温度(1065℃と1100℃)が、650℃でのLPBF成形合金の疲労特性に与える影響を調査した。研究では、同じ微細構造スケールの薄肉試験片の疲労寿命は、試験片の厚さと粒径の比(t/d)の減少とともに短くなること、1100℃で均質化された薄肉試験片の疲労寿命は、1065℃で処理された試験片の疲労寿命よりも高いことがわかりました。連続体損傷力学と転位理論に基づいて、サンプルの厚さと微細構造のサイズが薄肉部品の疲労寿命に及ぼす結合効果を説明する理論モデルが確立されました。このモデルに基づいて、LPBF 成形インコネル 718 薄肉部品の 650°C での疲労寿命安定性に関する t/d 境界条件が得られました。同時に、熱処理プロセスを調整することで、LPBF 成形薄肉部品の高温疲労性能の部品サイズに対する感度を効果的に低減する戦略が提案されました。

図 1 レーザー積層造形法で製造されたインコネル 718 薄肉部品の高温疲労性能安定性のための寸法境界条件と制御戦略。関連研究は「レーザー粉末床溶融結合法で製造されたインコネル 718 超合金の高温疲労耐性のための厚み調整」と題され、International Journal of Plasticity 182 (2024) 104137 に詳細が報告されました。論文の第一著者は、ノースイースタン大学の博士課程学生である馬涛氏であり、責任著者は、ノースイースタン大学の張斌教授、太行研究所の雷黎明研究員、中国科学院金属研究所の張光平研究員である。

この研究は、国家重点研究開発計画、中国国家自然科学基金、中国ポストドクター科学基金ポストドクター支援プロジェクトの支援を受けて行われました。


レーザー、金属

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