01 時代の課題 - アルミニウム合金は、その低密度、高比強度、優れた耐食性により、航空宇宙、自動車、エネルギー機器分野において不可欠な構造材料となっています。しかし、現代の産業界では複雑な形状や高性能、軽量のコンポーネントに対する需要が急増しているため、従来の鋳造や機械加工の方法では、複雑な内部チャネル、格子構造、薄壁の特徴を持つ部品の製造において根本的な限界に直面しています。-積層造形テクノロジー-特にレーザー粉末床融合 (LPBF) とレーザー指向性エネルギー蒸着 (LDED)- は、これらの製造ボトルネックを克服する革新的な手段を提供します。 LPBF テクノロジーは、高エネルギーのレーザー ビームを使用して、事前に堆積された粉末層を選択的に溶解し、層ごとに 99.5% を超える密度の複雑なコンポーネントを構築します。-通常の冷却速度は 10⁶ K/s のオーダーに達し、平衡凝固状態から遠く離れた過飽和固溶体や超微細粒子の微細構造が生成されます。-一方、同期粉末供給とレーザー溶融を利用した LDED 技術は、損傷部品の修復や、大規模な構造部品や組成的に傾斜した材料の製造において独自の利点を発揮します。-それにもかかわらず、アルミニウム合金は、レーザー積層造形中に一連の固有の物理的冶金学的課題に直面します。室温では、アルミニウム合金は近赤外線レーザー (波長: 1070 nm) に対して 90% を超える反射率を示します。その結果、エネルギー結合効率が非常に低くなり、安定した溶融プールを確立するには高出力-レーザーが必要になります。アルミニウム合金の表面は、アルミニウム母材の融点 660 度よりも大幅に高い 2072 度の融点を持つ緻密な酸化膜 (Al₂O₃) を容易に形成します。-。この酸化膜の破片は溶融池内で完全に溶融しないことが多く、亀裂や溶融欠陥の欠如の開始点となることがよくあります。--。さらに重要なことは、液体アルミニウム中の水素の溶解度（約. 0.7 cm3/100g）は、固体アルミニウム（約. 0.04 cm3/100g）よりもはるかに高いことです。急速凝固中、過飽和水素原子は時間内に拡散できず、代わりに固体-界面に蓄積して気泡核を形成し、最終的には凝固した微細構造内に直径数マイクロメートルから数十マイクロメートルの範囲の冶金的細孔を残します。一方、アルミニウム合金は凝固温度範囲が広く（たとえば、Al7075 では 150 度を超える）、凝固収縮が大きい（約 6%）ため、メルトプール凝固の最終段階で供給チャネルが閉じると、凝固収縮気孔や高温割れが非常に発生しやすくなります。これらの問題は、高強度 2xxx および 7xxx シリーズのアルミニウム合金の LPBF 加工における中心的な課題を表しています。{42}}レーザー積層造形に固有の極端な熱サイクル特性により、-室温から 200 度までの周囲の粉末および基板の温度とともに 2000 度を超える局所的な溶融プール温度が発生し、10⁶ K/m もの高い温度勾配が生じます-コンポーネント内に複雑な熱応力場が生成されます。これらの応力を制御せずに放置すると、反り、変形、さらには層間亀裂が発生する可能性があります。
02 組成設計 - 組成設計のレベルでは、従来鋳造や鍛造に使用されてきた合金系は積層造形には適さないことがよくあります。 AlSi10Mg 合金を例にとると、その近共晶組成は鋳造中に優れた流動性をもたらします。{4}しかし、LPBF の急速凝固条件下では、粗大な共晶シリコン相ネットワークが応力集中源として機能します。さらに、300 度での合金の引張強度は室温強度の約 10% まで低下します。-この現象は、高温での共晶微細構造の急速な粗大化と溶解に起因すると考えられます。-その結果、積層造形の特性に合わせた特殊なアルミニウム合金組成システムの開発が、この分野の重要な研究の焦点となっています。
中国科学院重慶グリーン・インテリジェント技術研究所による研究では、Al-Mg 合金に微量の Sc (0.2 ～ 0.4 wt%) と Zr (0.1 ～ 0.3 wt%) を添加すると、レーザー粉末床融合の急速凝固プロセス中に L12 規則構造を持つナノスケールの初級 Al₃(Sc,Zr) 相をその場で形成できることが明らかになりました。 (LPBF)。これらの相は、-Al マトリックスとの極めて低い格子不整合 (約 1.3%) を示し、高効率の不均一核生成サイトとして機能し、粒径を数十マイクロメートルからサブ- スケールまで微細化します。この研究は、-造られたままの Al-Mg-Mn-Sc-Zr 合金が特徴的な二峰性結晶粒構造を示していることを示しています。溶融池の端には微細な等軸粒子の領域 (平均サイズ ～1.04 μm)、溶融池の中心では構築方向に沿って成長する柱状粒子 (平均サイズ ～2.11 μm) の領域があります。この不均一な粒子構造は、溶融プール内の温度勾配と核生成密度の空間的変化から生じます。エッジは高い温度勾配と初級 Al3(Sc,Zr) 相の富化を特徴とし、不均一核生成を促進します。一方、中心は最大熱放散の方向に沿ったエピタキシャル結晶成長を促進する方向性の強い温度勾配を特徴とします。特に、Sc は高価 (約 3,000 ドル/kg) であるのに対し、Zr は比較的安価 (約 30 ドル/kg) です。これらの元素を組み合わせて添加すると、Al₃Sc-コア/Al₃Zr-シェル構造が形成され、強化相の熱安定性が大幅に向上するだけでなく、合金コストも効果的に削減されます。一方、上海交通大学のチームは、変形可能な共晶ナノ足場に基づいた革新的な設計戦略を提案しました。{28}彼らはモデル合金として、-近共晶Al-Er系(12.7重量%Er)を選択し、豊富な滑り系と高い双晶形成能力とともに、-Alとわずか3.96%の格子不整合を示すL1₂-構造Al₃Er相-の形成を利用した。 LPBF 印刷プロセス中、Al₃Er は約 10.3% の体積分率で連続 3D ナノ-骨格の形で析出します。この骨格は、1300 MPaを超える高応力に耐えるだけでなく、変形双晶と9R長周期-の積層規則構造の形成を通じて変形中の塑性適応を促進し、それによって共晶骨格は本質的に脆いという従来の見解を根本的に覆す。 -印刷されたままの Al-Er-Mg 合金 (RAE700) は 632 MPa の降伏強度を示し、7 ～ 10% の伸びを維持しながら直接時効処理後には 707 MPa に増加し、これまでに報告されたすべての 3D- 印刷アルミニウム合金を上回る包括的な性能プロファイルが得られます。さらに、名古屋大学の研究チームは、「元素分割制御」戦略に基づいて、Al-Fe-Mn-Ti 合金シリーズを開発しました。 Cu と Mn を添加して Al₆Fe 相を安定化し、有益な強化相に変化させる-と同時に、固相に分配して粒子を約 2.3 μm に微細化する Ti を導入する-この合金は、室温での引張強さ 390 MPa と伸び 14 ～ 17% を達成し、300℃で 100 時間の熱暴露後も特性はほとんど変化しません。-程度が異なります。
