西北工科大学のトップジャーナルのリン・シン教授 | その場高速再溶解に基づくレーザー積層造形法によるアルミニウム合金の強度と可塑性における画期的な進歩！

出典: Additive Manufacturing Master and Doctor Alliance

最近、「高速スキャン再溶融によるAlSi10Mgのレーザー粉末床溶融における優れた強度-塑性性能の達成」と題する研究論文がMaterials Research Lettersに掲載されました。論文の第一著者は、西北工業大学材料科学工学部の博士課程学生であるShi Shuoqing氏です。責任著者は、Lin Xin教授、Zhao Yufan教授、Yang Haiou准研究員です。第一責任部署は、西北工業大学凝固技術国家重点実験室です。

積層造形技術の出現は現代の産業に大きな変化をもたらしましたが、アルミニウム合金の製造は現在、2つの大きな困難に直面しています。一方では、高強度アルミニウム合金の積層造形加工性は低く、他方では、鋳造アルミニウム合金は成形性に優れているものの、中高強度の性能範囲を突破することが難しく、過酷な使用環境での適用が著しく制限されています。この目的のために、研究者はこれらの問題を解決するために、磁場や超音波などの補助場を適用したり、さまざまな熱処理システムを使用して微細構造を調整したり、高価な希土類元素を添加して等軸粒子や強化相の析出を実現したりするなど、さまざまな方法を試みてきました。これらの取り組みにより組織とパフォーマンスに若干の改善が見られましたが、研究開発コストは高額です。したがって、総合的な機械的特性を改善するためのシンプルで信頼性が高く低コストな方法を確立することが、挑戦的な科学研究テーマとなっています。

最近、西北工科大学のリン・シン教授のチームは、急速凝固理論の深い理解に基づき、レーザー積層造形の極限プロセス条件を最大限に活用し、最も一般的で安価なAlSi10Mg合金用のインサイチュー高速再溶解戦略（HSSR）を開発しました。この戦略により、粒子は大幅な柱状→等軸変態（CET）を受けることができ、より微細な結晶内セル構造が得られ、Alマトリックス内のナノ析出相の体積率が増加し、積層造形アルミニウム合金の強度-塑性における画期的な進歩を達成しました。製造されたアルミニウム合金試験片は、優れた表面仕上げと内部冶金品質を備えており、降伏強度は 279.5 ± 2.3 MPa、引張強度は 496.1 ± 5.8 MPa、破断伸びは 21.4 ± 0.9% です。総合的な引張特性は、既知のすべての積層造形アルミニウムシリコン合金および複合材料の中で最高です。関連研究は、「高速スキャン再溶融によるAlSi10Mgのレーザー粉末床溶融における優れた強度-塑性性能の達成」と題する研究論文としてMaterials Research Lettersに掲載されました。論文の第一著者は、西北工業大学材料科学工学部の博士課程学生であるShi Shuoqing氏です。責任著者は、Lin Xin教授、Zhao Yufan教授、Yang Haiou准研究員です。第一責任部署は、西北工業大学凝固技術国家重点実験室です。

この研究では、従来のレーザー選択溶融（LPBF）試験片と高速再溶融戦略（HSSR）試験片の比較研究を実施しました。微細構造分析によると、（図1）再溶融されていないLPBFサンプルは強い<100>テクスチャを持ち、Alマトリックス内の析出相は顕著ではありません。対照的に、HSSRサンプルの溶融池領域の境界は明確ではなく、等軸結晶の割合が大幅に増加し、柱状結晶と等軸結晶の混合形態を示し、GNDは溶融池内にさらに多く分布しています。 HSSR戦略後、粒子の[001]配向が弱まり、異方性の程度が大幅に減少し、結晶内セル構造の等軸傾向が強化され、多数のナノ析出粒子がAlマトリックス内に分散しました。分布ヒストグラム統計は、HSSR 戦略が粒子と結晶内セル構造の微細化と等軸性を促進することを示しています。公式アカウント「Additive Manufacturing Master and Doctor Alliance」をフォローして、付加製造の研究とエンジニアリングの応用に焦点を当てた大量の付加材料を無料で入手しましょう。

▲図1 堆積したサンプルの微細構造。 (a-a2) (i-i2) バンドコントラスト、逆極点図および GND 分布。(b) (j) それぞれ (a1) (i1) に対応する極点図。(cd) (kl) 粒子相当直径およびアスペクト比。(ef) (mn) セル構造の SEM 像およびアスペクト比分布。(gh) (op) Al マトリックス内の析出相の SEM 像およびサイズ分布。
2つのグループの試験片を室温で伸張した（図2）。従来の LPBF 試験片と比較して、HSSR 試験片の降伏強度、引張強度、破断伸びはそれぞれ 27.3%、22.5%、103.8% 増加しました。比較チャートには、補助磁場による積層造形、その後の熱処理、従来の再溶解、強化粒子の添加など、さまざまなプロセス条件下での AlSi10Mg 合金の引張特性、および希土類元素で改質された高強度アルミニウム合金がリストされています。 HSSR戦略を使用することで、合金の破壊強度と伸びが同時に大幅に向上していることがわかります。これは、現在知られているデータの中で最も優れた性能です。加工硬化指数をさらに分析すると、HSSR 戦略試験片は顕著な加工硬化能力を持ち、引張ひずみが継続的に増加すると、加工硬化指数が徐々に増加し、優れた引張強度が得られることがわかります。

▲図2 軸方向引張特性(a) 一般的な工学的応力-ひずみ曲線、(b) 軸方向引張強度-破断伸び性能比較チャート、(c) 真応力/加工硬化率-真ひずみ曲線、(d) さまざまなひずみ段階での加工硬化指数。
本研究で独創的に提案されたその場高速再溶融戦略（HSSR）は、シンプルで安定しており、信頼性が高く、低コストの制御方法です。 HSSR 戦略は、粒子と結晶内セル構造の微細化と等軸性を促進します。より硬い等軸結晶とより柔らかい柱状結晶の間の協調変形により、溶融池境界でのひずみの局在化が効果的に緩和され、剥離が遅延され、サンプルの延性が向上します。同時に、結晶粒と結晶内セル構造の微細化、および Al マトリックス内のナノ析出相の割合の増加により、加工硬化能力が効果的に向上し、引張強度が向上します。この成果により、積層造形されたアルミニウム-シリコン合金はこれまでにない引張特性を獲得できるだけでなく、積層造形における他の種類の合金の性能を向上させるための新たな技術的道が開かれると期待されており、エンジニアリングへの応用に大きな可能性を秘めています。

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