積層造形金属の疲労特性に関する研究：レビュー

出典: 揚子江デルタG60レーザーアライアンス

機械構造力学・制御国家重点実験室、先端科学研究所、教育部ナノインテリジェント材料・デバイス重点実験室、宇宙学院、南京航空航天大学強度・構造健全性国家重点実験室の研究者らが、積層造形金属の疲労特性に関する研究を検討した。「積層造形金属の疲労特性に関する総合的レビュー」と題する関連論文が、Journal of Materials Processing Technology に掲載されました。

要点:
1. 積層造形 (AM) 金属に関する最新の疲労データを確認します。
2. AM金属の疲労特性に影響を与える主な要因を比較し、分析した。
3. AM金属のSNおよびda/dN-∆K曲線のデータ抽出を実行します。
4. 製造プロセスにより、AM 金属の疲労特性は大きなばらつきを示します。

付加製造（AM）技術は先進技術として急速に発展しています。多くの研究により、AM 金属の強度やその他の機械的特性は従来製造された金属と同等かそれ以上であることが示されていますが、周期的荷重または疲労荷重下における AM 金属の疲労性能は依然として難しい問題です。 AM 金属の疲労特性とデータに関する包括的な概要は現在不足しています。この論文では、AM 金属の疲労特性 (SN データと疲労亀裂成長データ) に関する最新の公開データをレビューします。さらに、チタンベース、アルミニウムベース、ニッケルベース、マグネシウムベースの合金、ステンレス鋼、高エントロピー合金などの AM 金属材料の疲労特性が体系的にレビューされています。記事には、上記の金属、AM 技術、および影響要因 (成形方向、処理パラメータ、後処理などの製造パラメータ) の疲労性能データの概要図と表が掲載されています。最後に、AM 金属の疲労特性と疲労挙動に影響を与える主な要因を比較して批判的に分析し、AM 金属の疲労特性を改善するための貴重なガイダンスを提供します。

図1. 積層造形された金属の材料-加工-疲労の関係を示す模式図。
図 2. (a) AP&C Ti-6Al-4V 粉末と (b) EOS Ti-6Al-4V 粉末、(c) ガスアトマイズ粉末と (d) プラズマアトマイズ粉末、(e) 新しい Ti-6Al-4V 粉末と (f) 古い Ti-6Al-4V 粉末の SEM 顕微鏡写真。
図3. 異なるサイズとノッチを持つ試験片の形状。
図4. (a) 回転曲げ疲労ミクロ試験片の荷重概略図と応力分布。 (b) in-situ/ex-situ RBF小型試験片の疲労データを、L-PBF、電子ビーム粉末床溶融結合法（PBF-EB）、電子ビーム溶融法（EBM）などのさまざまな後熱処理を施したAM合金の疲労データと比較します。
図5. (a) HIPありとなしのEBM処理したTi-6Al-4Vの微細構造。 (b) HIPの有無にかかわらずDMLS処理したTi-6Al-4Vの微細構造。
図6. (a) ショットピーニング（SP）を示す模式図。 (b) ピーニングの持続時間と (c) ショットピーニング処理の効果を示すターゲット表面圧力の増加。 (d) 左から右に、SP処理の一般的な効果としては、表面粗さの増加、表面粒子の微細化、硬化、圧縮残留応力の誘発などがあります。
図7. LSP中にLDEDで作製したサンプルの冶金欠陥と残留応力の発達の模式図。 (d) 深さ方向に沿った全体の微細構造の模式図。
図8. (a) 機械加工した試験片と機械加工していない試験片（非HIP材料）の疲労特性の比較。 (b) HIP処理した部品と表面を機械加工していない非HIP処理部品の疲労特性の比較。 (c) HIP材料と機械加工面、機械加工面および参照材料の疲労特性の比較。図9. (a) WAAMとLSPプロセスの概略図。 (b) 異なる処理後の界面領域のEBSD分析。 HT 前の KAM 図、HT、および HT + LSP。 (c) マイクロ硬度曲線。
図10. (a) 融合欠陥の欠如、(b) キーホール欠陥。（c）球状化された粒子。
図11 SLM AlSi10Mgの微細構造。
図12. 135MPaで試験したL-PBF AB（ae）、HIP（f、g）、OA2（h、i）Al-Mg-Sc-Zrサンプルの疲労破面。
図13. 成形方向に対する方向に応じたSLM IN 718試験片の疲労寿命。
図14. SLM製造インコネル718の切欠き疲労特性
図15. (a) 中空撹拌ツールを通して固体棒を押し出すMELDプロセスの概略図。 (b) HY80基板上に堆積したIN625サンプル。 (c) 堆積したIN625および生のIN625試験片の疲労試験片。
図 16. インコネル 625 CT 試験片のレーザー高速製造 (LRM) の手順のシーケンス。
図 17. レビューで検討した積層造形金属、AM と後処理、疲労特性 (例: SLM Ti-6Al-4V)、および課題。
要約すると、研究者らは、疲労寿命、疲労限界、FCG という 3 つの側面から AM 金属の疲労特性に関する最新の進歩を検討しました。本研究で言及されている添加金属には、一般的に使用されているチタン合金（TC4、TC17、TC18、TA15、CP Tiなど）、アルミニウム合金（AlSi10Mg、AlSi12、AlSi7Mg、AlMgScZr、AlMgMnなど）、ステンレス鋼（316L、15-5 PH、17-4Hなど）、ニッケル基合金（IN718、IN625など）、マグネシウム基合金、高エントロピー合金が含まれます。 AM 金属の加工 - 材料 - 疲労の関係を完全に理解するために、粒子、構造、製造加工パラメータ (AM 技術、レーザー出力と速度、成形方向とスキャン戦略など)、後処理 (LP、SP、LSP、機械加工、USMAT など)、HT、HIP、高温が AM 金属の疲労特性に与える影響を体系的に研究しました。大量の疲労データ（SN データおよび da/dN-ΔK データ）が抽出され、分類されました。そのほとんどは、従来の金属疲労試験規格に従って取得されました。 AM の標準化が不十分なため、疲労データは非常に散在しています。

論文リンク: https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2024.118425

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