ZrO2-Al2O3部品の超音波支援振動レーザー積層造形（LENS）

出典: 江蘇レーザー連盟

セラミック部品（ZrO2-Al2O3）の製造に超音波アシスト振動とLENS技術を使用すると、亀裂の発生と拡大を抑制でき、粒子の微細化と材料分散の均一性に有益であることが報告されています。超音波処理なしで製造された部品と比較すると、微小硬度、耐摩耗性、優れた圧縮特性など、優れた機械的特性を備えています。

レーザー積層造形技術を用いたセラミック部品（ZrO2-Al2O3）の製造にはいくつかの問題があり、主にひび割れや材料の不均一な分散によって引き起こされます。これらの問題を軽減するために、研究者らはバルク ZrO2-Al2O3 セラミック部品を製造するための新しい超音波振動支援レーザーニアネットシェーピング (LENS) プロセスを提案しました。結果は、超音波の導入により、LENS プロセス中に亀裂の発生と伝播が抑制されることを示しています。超音波を使用せずに製造されたセラミック部品の場合、レーザー出力が増加すると亀裂のサイズが小さくなります。走査型電子顕微鏡分析の結果、超音波の導入は粒子の微細化と材料分散の均一性に有益であることが示されました。超音波支援により製造された LENS コンポーネントは、亀裂抑制、粒子微細化、材料分散の均一性により、超音波処理なしで製造されたコンポーネントと比較して、微小硬度、耐摩耗性、優れた圧縮特性などの機械的特性が向上します。
図1. LENSプロセスの概略図
背景<br /> ZrO2-Al2O3セラミックスは、優れた生体適合性、優れた耐腐食性と耐熱性、高強度などの利点があるため、バイオメディカル、化学、その他のハイエンドエンジニアリング産業で広く使用されています。セラミック材料を製造する従来のプロセスには、鋳造、射出成形、それに続く脱脂と焼結が含まれます。単一または少量の製品を製造する場合、鋳造と射出成形は、製造に金型を必要とするため、材料とコストの無駄と見なされます。さらに、複雑な形状の部品を製造する場合、従来の製造プロセスでは多くの問題に直面します。これらの問題に直面して、積層造形（AM）技術の開発と広範な応用は、セラミック材料の製造に使用することができます。減算製造法と比較して、AM 積層製造技術は 3D モデルから層ごとに直接製造します。さまざまな AM 技術の中で、レーザー積層造形 (LAM) はセラミック材料の製造において最も魅力的な技術の 1 つと考えられています。 LAM プロセスでは金型が不要で、複雑な形状の部品の製造が容易になります。 SLM 技術と比較すると、LENS には労働消費が少なく、製造効率が高く、部品を再製造できるという利点があります。

図1はLENSプロセスの概略図を示しています。最初に、レーザーから放出された熱によって基板が選択的に溶融され、溶融プールが形成され、粉末供給機構から粉末が捕捉されて溶融されます。レーザービームが除去されると、溶融池は熱放散により固まり始めます。堆積ヘッドは、3D 図面の事前に設計された軌道に沿ってスキャンし、基板上に最初の層を形成します。その後、堆積ヘッドは 1 つの堆積層の高さまで上昇し、次の層の堆積の準備をします。この層は、堆積された基板の表面の新しい層が溶け始め、2 番目の層を形成するときに機能します。事前に設計されたほぼネットシェイプのコンポーネント全体が完成するまで、同様のプロセスが繰り返されます。

図 2. 超音波支援振動。溶融および凝固中の超音波の役割と影響。初期の研究では、LENS プロセスを使用して Al2O3 ベースのセラミック材料を製造することが報告されています。 Balla らは、プロセスパラメータを最適化することで、LENS 技術を使用して、高密度でほぼネットシェイプの Al2O3 部品を製造することに成功しました。 Ma らは、LENS によって製造された薄壁 Al2O3 構造の表面における粉末分布形態の影響を研究しました。結果は、LENS で製造された部品の微小硬度と粗さが、従来のプロセスで製造された部品のものとほぼ同等であることを示しています。 Wu らは、レーザー出力と堆積ヘッドのスキャン速度が ZrO2-Al2O3 薄壁構造の LENS 製造に及ぼす影響を分析しました。 LENS の急速凝固プロセスでは、脆いセラミック材料に、大きな熱温度勾配による亀裂が発生する可能性も高くなります。亀裂が存在すると、部品の機械的特性が劣化し、部品の耐用年数が短くなります。さらに、ZrO2 および Al2O3 の局所的な均一性は保証されません。

図3. 超音波アシスト振動を使用したLENSの実験装置の概略図。亀裂の形成を抑制し、材料堆積の均一性を確保するために、本研究では、LENSプロセスを使用してバルクZrO2-Al2O3コンポーネントを製造するための超音波アシスト振動の新しい方法が初めて提案されました。図2は、溶融および凝固プロセスの支援における超音波振動の役割と影響を示しています。周期的な正圧と負圧を伴い、音響キャビテーションと音響ストリーミングという 2 つの非線形超音波効果が発生します。音響流は、液体材料に吸収された音波の振動によって引き起こされる定常流れです。過渡的キャビテーションは、液体材料内の微細な気泡の形成、成長、脈動、および崩壊を伴います。これら 2 つの非線形効果により、液体材料の動きが促進され、直接的で最終的な衝撃が生じます。これらの効果は、材料の分散の均一性、熱温度勾配と熱応力勾配の平滑化、亀裂の低減、粒子の微細化に非常に重要な役割を果たします。

図4. 異なるレーザー出力下での超音波振動による亀裂抑制効果

図5. 超音波振動の有無による製造部品の断面のEDXS表面分布分析。図6. LENSを使用して製造された部品の圧縮特性に対する超音波補助振動の影響（UV：超音波振動）
主な結論<br /> この研究では、新しい超音波支援振動LENSプロセスを使用して、バルクZrO2-Al2O3セラミック材料を製造しました。目標は、LENS プロセス中の超音波支援が製造部品の亀裂抑制、微細構造、機械的特性に与える影響を調査することです。主な結論は次のとおりです。

（１）LENSプロセスにおける超音波アシスト振動の導入によって生成される非線形音響流と瞬間キャビテーションは、材料分散の均一性、熱温度勾配の平滑化、亀裂の減少、粒子の微細化、機械的特性の向上に大きく役立ちます。

（２）超音波振動を利用したLENSプロセスで製造されたセラミック部品では、堆積方向における亀裂の発生と伝播が抑制される。この現象は、超音波による熱応力の軽減と結晶粒の微細化によって発生します。超音波アシスト振動を使用しない部品の場合、レーザー出力を上げることで亀裂の成長速度を抑えることができます。

（３）超音波振動によるレンズ製造中に、ZrO2が凝集してAl2O3の粒界に結合し、ネットワーク状の微細構造を形成する。このネットワーク構造は、亀裂の架橋、亀裂の反射、亀裂の分岐によってワークピースを強化するのに役立ちます。超音波振動のないLENSプロセスでは、ZrO2とAl2O3の局所的な質量比が全体の質量比よりも高くなる可能性があり、共晶微細構造が生成される場所で共晶凝固が発生する可能性があります。超音波支援なしで製造された部品と比較して、超音波支援を使用して製造された LENS 部品は、粒子が細かく、材料の分散性が向上します。

（４）超音波振動が部品の機械的特性（微小硬度、耐摩耗性、圧縮性能など）に及ぼす影響を分析した。結果は、LENS が超音波アシスト振動を使用して製造した部品は、内部硬度が高く、耐摩耗性が高く、圧縮性能が優れていることを示しています。圧縮試験中、超音波アシスト振動 LENS 部品の破壊界面は主に粒界に沿った破壊を示しました。しかし、超音波アシスト振動 LENS 部品では粒界に沿った破壊と結晶破壊の両方が発生しました。

出典: 超音波振動支援レーザーエンジニアリングによる ZrO2-Al2O3 バルク部品のネットシェーピング: 亀裂抑制、微細構造、機械的特性への影響。Ceramics International、第 44 巻、第 3 号、2018 年 2 月 15 日、2752-2760 ページ、https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2017.11.013

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