最先端のアプリケーション | チタン合金のレーザー積層造形には幅広い可能性が秘められている

出典: 中国レーザー産業
著者: 陳静張国浩工業情報化部金属高性能付加製造と革新設計重点研究室西北工科大学材料科学工学部

チタンは、鉄、アルミニウム、マグネシウムに続いて21世紀に急成長している新しい金属です。チタンの密度は鋼鉄のわずか60%で、比強度は他の金属構造材料よりもはるかに高く、無毒、非磁性、耐高温性、耐腐食性、生体適合性などの特性も備えています。チタン合金のこれらのユニークな特性により、チタン合金は航空宇宙、化学、電力、自動車、バイオメディカルなどの分野で広く使用されています。一方、チタン合金の活性特性と熱間・冷間加工の難しさから、原材料や製品は高価になることが多いです。このような状況から、金型や治具の制約を受けない自由成形3Dプリント技術は、チタン合金に広く明るい発展の展望をもたらしました。

レーザー積層造形は急速な発展を遂げている<br /> 積層造形（3D プリントとも呼ばれる）技術は、過去 30 年間で急速に発展しました。積層造形は、レイヤースライシングによるレイヤーごとのスタッキング技術に基づいており、CAD モデルからコンポーネントエンティティまでのニアネットシェーピングを迅速に簡単に実現できます。この技術は現在、さまざまな原材料（粉末、ワイヤー、液体）とエネルギービーム（レーザー、電子ビーム、アークなど）を使用しています。その中でも、レーザーをエネルギービームとして、金属粉末またはワイヤーを原材料として使用するレーザー積層造形技術は、西側先進国によって重要な開発分野として挙げられています。

チタン合金自体は熱伝導率が低く、レーザー吸収率が高く、凝固相構造が単純であるという特徴があるため、チタン合金のレーザー積層造形は熱が蓄積しやすく、熱応力と相変化応力が小さいという特徴があります。そのため、レーザー積層造形技術はチタン合金で初めて応用のブレークスルーを達成しました。現在、チタン合金のレーザー積層造形技術の主流は、レーザー固体成形（LSF）技術と選択レーザー溶融（SLM）技術の2つであり、その成形模式図を図1に示します。

図1. 2つの典型的なレーザー積層造形技術の概略図
a. レーザー立体形成技術
b. 選択的レーザー溶融技術

レーザー積層造形チタン合金の微細構造と性能特性

レーザー積層造形プロセスでは、高エネルギー密度のレーザービームが非常に短時間で小さな領域に作用し、レーザー溶融池とその熱影響部で高い冷却速度を実現します。通常、冷却速度は約 102 ～ 106 K/s に達し、典型的な近急速凝固および固体相変化特性を示します。レーザー積層造形の優れた鋳造構造特性は、形成された部品が極めて高い機械的特性を発揮するための重要な技術的基礎となります。

しかし、レーザー積層造形プロセスでは、溶融池内の固液界面の前面に大きな正の温度勾配があり、凝固構造は、複数の堆積層を通してエピタキシャルに成長する粗い柱状β結晶として巨視的に現れます。さらに、層ごとに堆積するプロセス特性により、形成された部品の各ポイントが経験する熱履歴が複雑になり、結晶内サブ構造の析出に明らかな不均一性が見られます。この組織的特徴により、3D プリントされた構造部品は負荷を受けると異方性を示し、損傷許容度と疲労特性は鍛造品よりも低くなります。

チタン合金のレーザー積層造形法の実際の生産への順調な応用を促進するために、英国のペンシルバニア州立大学、オハイオ州立大学、バーミンガム大学、ノッティンガム大学、ベルギーのルーヴェン大学、ドイツのフラウンホーファーレーザー技術研究所、オーストラリアのロイヤルメルボルン工科大学、モナッシュ大学、および中国の西北工科大学、北京航空航天大学、南京航空航天大学、華中科技大学は、チタン合金のレーザー積層造形法に関する体系的かつ徹底的な研究を実施してきました。

レーザー積層造形法で製造されたチタン合金部品のマクロ構造は、複数のクラッド層を通してエピタキシャル成長する粗い柱状結晶で構成されています。結晶間隔は数百ミクロンに達し、柱状結晶の主軸はレーザービームの走査方向に対して垂直、またはビームの走査方向に対してわずかに傾斜しています。一次柱状結晶内部の微細構造は、ごく少量の針状相、大量のウィドマンシュテッテンラス、および一定量のラス間β相で構成されています。このタイプの構造は、荷重を受けると明らかな異方性を示すことがよくあります。堆積高さの方向に沿って引き伸ばされた場合、強度は低くなりますが、可塑性は高くなります。堆積高さの方向と垂直に引き伸ばされた場合、強度は高くなりますが、可塑性は低くなります。

図2. レーザー積層造形法で製造されたチタン合金のマクロ結晶粒形態の能動的な制御。西北工科大学と北京航空航天大学は、レーザー積層造形技術の特性を深く研究してきました。液体と固体の二相領域における核生成点の数を増やすことで、液体溶融池の等軸結晶面積が増加し、完全に等軸の結晶が得られ、レーザー積層造形法における完全に柱状の結晶から完全に等軸の結晶への制御可能な変態が実現します。図2は、レーザー積層造形法で製造された高強度チタン合金のマクロ的な結晶粒形態を積極的に制御した結果を示しています。その後、堆積プロセス中のプロセスパラメータのさらなる制御と後熱処理システムの研究を通じて、結晶内サブ構造の均質化と等軸制御が基本的に達成されました。これらの研究努力の方向性は、レーザー付加製造されたチタン合金の総合的な機械的特性を改善することです。

レーザー積層造形チタン合金エンジニアリングアプリケーション<br /> チタン合金レーザー積層造形技術が航空宇宙分野で初めて応用のブレークスルーを達成

中国はレーザー積層造形技術の研究において欧米先進国と足並みを揃えており、特に航空機用の大型で複雑なチタン合金部品のレーザー積層造形研究と応用においては国際的に主導的な地位を占めている。

西北工科大学は、材料、プロセス、設備、応用技術を含む完全なレーザー積層造形技術システムを確立しました。大型チタン合金部品のレーザー積層造形は、中国商用飛行機集団のC919、欧州のエアバスA380大型旅客機、米国GEの航空機エンジンの開発に役立ち、図3に示すように、世界最大サイズ（3100mm）のチタン合金部品のワンタイム一体型レーザー積層造形を実現しました。 2018年秋、「西北工科大学-エアバス付加製造共同実験室」が無事に開設されました。エアバスが付加製造分野で中国の大学と共同実験室を設立するのは今回が初めてで、航空機製造分野における付加製造技術のさらなる応用に向けて、強固な技術基盤を築くことを目指しています。

北京航空航天大学は、航空機用チタン合金などの高性能難加工金属で作られた大型一体型主荷重支持構造部品のレーザー付加製造プロセス、設備、応用の主要技術で画期的な進歩を遂げ、複数のモデルに応用した。南京航空航天大学と華中科技大学は、選択的レーザー溶融装置、特殊材料設計、成形プロセスとメカニズムの開発に焦点を当てた比較的体系的な研究を行ってきました。

図3. C919航空機の中央翼ストリップのレーザー積層造形

レーザー積層造形が大量カスタマイズの時代へ<br /> 近年、3Dプリント技術の急速な発展に伴い、その応用は伝統的な製造技術の代替品から産業発展のリーダーおよび推進力へと徐々に変化し、マスカスタマイゼーションの時代を迎えています。品質、コスト、効率は、エンジニアリングアプリケーションにおけるレーザー積層造形技術の新たな焦点となっています。たとえば、米国の AMERICA MAKES が設定した積層造形の目標は、設計要件に完全に準拠した一貫性と再現性のある製品構成とパフォーマンスを実現することです。

西北工科大学は、多層堆積条件下におけるレーザー粉末流溶融池結合のマッチング成長安定特性に関する研究を実施し、同期粉末供給レーザー積層造形の効率的、高精度、長期安定堆積制御という国際問題を解決し、寸法精度と一貫性を大幅に向上させました。寸法精度は0.8mm/3000mmに達し、寸法精度離散性は<5%、機械特性離散性は<5%です。

ポリライトは、選択的レーザー溶融技術を推進して大量生産のニーズを満たすために、多光源SLM装置を開発し、エアバスと「4レーザー印刷航空機製品の研究開発」に関する科学研究協力プロジェクトを締結しました。このプロジェクトでは、ポリライトが独自に開発した大型レーザー選択的クラッディング装置BLT-S500の航空機構造部品の印刷能力をテストします。ドイツのフラウンホーファーレーザー技術研究所も、印刷効率を大幅に向上させるマルチ光源SLM装置を開発しています。

欧州宇宙機関は、「ハイテク金属製品の効率的生産と廃棄物ゼロのための付加製造」（AMAZE）プロジェクトを提案しました。このプロジェクトは、融点が3500℃未満の金属粉末から、最大数kg/時の堆積効率で、24時間以内に高強度、軽量、大規模な金属構造物を付加製造することを目指しています。

ドイツの企業 EOS は、ダイムラー AG および Premium Aerotec (航空機部品メーカー) と共同で、大量生産における金属 3D プリントの自動化の可能性を探るため、「NextGenAM」と呼ばれる新世代の付加製造実験生産ラインプロジェクトを開始しました。このプロジェクトは今年5月に成功裏に完了し、レーザー積層造形を自動化することで経済的かつ効率的な大量生産が実現できることが実証され、完全自動化により製造コストが50%削減されました。

結論「チタン合金レーザー積層造形技術は、最初に航空宇宙分野で応用のブレークスルーを達成しました。現在、その応用は、従来の製造技術の代替品から、産業発展のリーダーおよび推進力へと徐々に変化し、マスカスタマイゼーションの時代を迎えています。品質、コスト、効率は、エンジニアリングアプリケーション向けのレーザー積層造形技術の新たな焦点となっています。」

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