技術革新：欠陥のない高強度マルテンサイト鋼を3Dプリント、引張強度1.4GPaを達成

出典：中国先端技術製造

高強度3Dプリントマルテンサイト鋼技術のブレークスルー！この技術は、テキサスA&M大学工学部と米国空軍研究所の科学者との共同研究の成果であり、航空宇宙、自動車、防衛産業に応用できる可能性がある。
3D プリント用のマルテンサイト鋼粉末。挿入図は鋼鉄粉末の拡大図です。
何千年もの間、冶金学者は鋼鉄の特性を高めるために鋼鉄の組成を注意深く調整してきました。現在でも、より強度が高くコスト効率に優れているため、鋼鉄のカテゴリーの中で際立っているマルテンサイト鋼と呼ばれる製品があります。
マルテンサイト鋼は、コストを増やすことなく高強度で軽量な部品の製造を必要とする航空宇宙、自動車、防衛産業などの用途に最適です。しかし、これらの用途やその他の用途では、強度と耐久性の損失を最小限に抑えながら、金属を複雑な構造に組み込む必要があります。テキサス A&M 大学の研究者たちは、空軍研究所の科学者と共同で、マルテンサイト鋼を 3D プリントして、ほぼあらゆる形状の極めて強度が高く欠陥のない部品を製造できるプロセスを開発した。

低合金マルテンサイト鋼 AF9628 は、ε 炭化物相の形成により、1.5 GPa を超える強度と 10% を超える引張延性を備えています。この新しい鋼の微細構造と機械的特性に対する選択的レーザー溶融（SLM）の影響を研究しました。穴のない部品を製造するためのプロセスパラメータを決定するための最適化プロセスを紹介します。このプロセスでは、単一トラック実験によって調整された計算コストの低い Eagar-Tsai モデルを利用して、溶融プールの形状を予測します。印刷された部品の溶融による多孔性を回避するために、最大許容ハッチ間隔を決定するための幾何学的標準も開発されました。このプロセスを使用して、さまざまなプロセスパラメータでフル密度のサンプルを正常に製造し、AF9628 の SLM プロセスマップを作成できるようになりました。印刷されたサンプルは、最大 1.4 GPa の引張強度を示しました。これは、これまでに報告された 3D 印刷合金の中で最高の強度であり、伸びは最大 11% です。完全な密度を維持しながらプロセスパラメータを選択する際の柔軟性により、局所的な微細構造の変更やパラメータの最適化が可能になり、印刷部品の機械的特性も向上します。

「強くて丈夫な鋼は幅広い用途に使われていますが、最も強い鋼は一般的に高価です。例外として、1 ポンドあたり 1 ドル未満の比較的安価なマルテンサイト鋼があります」と、シェブロン I 教授で材料部門の責任者であるイブラヒムカラマン氏は語ります。「私たちは、これらの硬い鋼を任意の形状に 3D 印刷できるプロセスを開発しました。最終製品は実質的に欠陥がありません。」

このプロセスは当初マルテンサイト鋼向けに開発されたが、テキサス A&M 大学の研究者らは、この技術を十分汎用化したため、同じ 3D プリントパイプラインを使用して他の金属や合金から複雑な物体を作成することもできると述べている。この研究の結果は、2019年12月発行のActa Materialia誌に「選択的レーザー溶融積層造形法で製造された超高強度マルテンサイト鋼：緻密化、微細構造、機械的特性」と題する論文として掲載されました。

鋼は鉄と、炭素を含む少量の他の元素から作られています。マルテンサイト鋼は、鋼を極めて高温に加熱し、その後急速に冷却することで形成されます。急激な冷却により、炭素原子が自然に鉄の結晶内に閉じ込められ、マルテンサイト鋼に特有の強度が生まれます。

マルテンサイト鋼、特に低合金マルテンサイト鋼と呼ばれるタイプは、さまざまな用途に使用できるように、特定の用途に応じてさまざまな形状やサイズの物体に組み立てられる必要があります。そこで、積層造形（通称 3D プリンティング）が実用的なソリューションを提供します。この技術を使用すると、高エネルギーレーザービームを使用して金属粉末の単層をパターンに沿って加熱して溶融することにより、複雑な部品を層ごとに構築できます。これらすべてのレイヤーが接続され、積み重ねられて、最終的な 3D プリントオブジェクトが印刷されます。

しかし、レーザーを使用してマルテンサイト鋼を 3D プリントすると、材料内に気孔という形で欠陥が生じる可能性があります。

「多孔性は微細な穴であり、3D プリントに使用した原材料が非常に強力であっても、最終的な 3D プリント物の強度を大幅に低下させる可能性があります」とカラマン氏は言います。「新しいマルテンサイト鋼の実用的用途を見つけるには、基本に戻って、どのレーザー設定でこれらの欠陥を防ぐことができるかを調査する必要がありました。」

実験では、カラマン氏とテキサス A&M チームはまず、溶接からヒントを得た既存の数学モデルを選択し、異なるレーザー速度と出力設定下でマルテンサイト鋼粉末の単層がどのように溶けるかを予測しました。溶融粉末の一本鎖で観察された欠陥の種類と数をモデルの予測と比較することで、既存のパラメータをわずかに変更し、その後の予測を改善することができます。

このような反復を数回行った後、彼らのプロセスは、追加の実験を必要とせずに、新しい未テストのレーザー設定セットがマルテンサイト鋼に欠陥を引き起こすかどうかを正確に予測できるようになりました。研究者らは、これにより時間の節約になるだろうと述べている。

米国空軍研究基地で印刷された AF9628 部品の熱分析「レーザー設定の全範囲をテストして、どの設定が欠陥を引き起こす可能性があるかを評価するのは、非常に時間がかかり、時には非現実的です」と、工学部の大学院生でこの研究の主執筆者である Raiyan Seede 氏は述べています。。「実験とモデリングを組み合わせることで、マルテンサイト鋼の 3D プリントに最適な設定を決定するために使用できる、シンプルで迅速なステップバイステップの手順を開発することができました。」

Seede 氏はまた、ガイドラインはマルテンサイト鋼が変形せずに印刷できることを保証するために開発されたが、彼のプロセスは他の金属の印刷にも使用できると指摘した。この応用範囲が拡大したのは、彼らのフレームワークが、あらゆる金属の単一トラック実験観察に適応できるためだと彼は述べた。

「私たちはマルテンサイト鋼の 3D プリントに焦点を絞ってスタートしましたが、その後、より一般的なプリントプロトコルを作成しました」とカラマン氏は語ります。「さらに、私たちのガイドは金属の 3D プリントプロセスを簡素化し、最終製品に気孔がないようにしています。これは、ネジのような単純な部品から、着陸装置、ギアボックス、タービンなどのより複雑な部品まで、あらゆる種類の金属付加製造業界にとって重要な開発です。」
この研究の他の貢献者には、材料科学工学部のオースティン・ウィット氏とレイムンド・アロヤベ氏が含まれていた。産業システム工学部の David Shoukr、Bing Zhang、Alaa Elwany、およびフロリダ空軍研究所の Sean Gibbons と Philip Flater。この研究は陸軍研究局と空軍研究所によって資金提供された。

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