バイメタルの進歩

さまざまな業界で指向性エネルギー蒸着 (DED) が使用される主な理由として、バイメタル蒸着機能がよく挙げられます。 1 つの固体部品に複数の材料を組み合わせると、ワークピースのさまざまな領域で必要な性能特性に合わせて材料特性を意図的に選択することで、性能を向上させる可能性が広がります。 この利点は、組み合わせる金属が異なればなるほど、部品の特性をより多く変更できるほど加速されます。

歴史的に、DED における銅の使用は、反射する性質のため制限されてきました。 新しいプロセス戦略により、銅コンポーネントへのクラッディングの早期採用が可能になりました。 しかし、より複雑な形状と銅の材料費の高さから、銅も堆積することが望ましい。 レーザー産業の最近の進歩により、DED 装置で青色レーザーを利用できるようになり、純銅だけでなくより高度な銅合金の蒸着が可能になりました。

赤外線レーザー (IR = 1,040 nm) を使用した場合、純銅の吸収係数はわずか約 2% です。 したがって、CuAl10、CuSn8、CU18150 などの吸収を高める銅合金が使用されています。 それでも、吸収はより一般的に使用される鋼の吸収よりもはるかに低いため、このような用途では 3,000 W を超える高出力レーザーが適切に使用されます。 さらに、銅基板の予熱と、より効果的な蒸着角度を利用する高度なクラッディング戦略が、ここ数年で成功を収めてきました。

典型的な用途は、さまざまな宇宙用途 (最も一般的にはロケット ノズル) における銅基板上のインコネルのクラッディングに焦点を当てています。 たとえば、図 1 は、5 軸のメイン スピンドルにクランプされたレーザー粉体層融合 (LPBF) システム (DMG 森製 LASERTEC 30 DUAL SLM) 上の CU18150 製銅ライナーのセットアップを示しています。ミル LASERTEC 3000 DED ハイブリッドマシン。 CU18150 の銅ライナーは、LPBF システムの 1,000 W レーザーを使用して構築され、外径の周囲にオープン冷却チャネルが追加されています。 ハイブリッド DED マシンでは 3,000 W レーザーを使用して、インコネル 625 を周囲に堆積し、それに応じて冷却剤チャネルを閉じました。 銅ライナーの反射は、適切な材料接合につながる安定したプロセスを確立する上での課題です。

適切な堆積戦略と、Siemens NX などの 5 軸 CAM プログラムで作成された高度なツールパスを使用すると、図 2 に示すように成功した結果を達成できます。一貫したインコネル層が周囲に適用され、微細構造分析により、層間の良好な接合が示されています。銅基板とインコネル層。

LPBF システムと DED システムを組み合わせて使用​​することにより、このようなコンポーネントのサイズは、一般的なエンベロープ サイズである立方フィート、または最近の機械開発ではわずかに大きいサイズに制限されます。 宇宙産業の要件を満たすためには、直径が最大 1,250 mm、スピンドル間の部品の長さが最大 ​​6,000 mm にわたる DED ハイブリッド機械のエンベロープ全体を利用することが望ましいです。 したがって、銅を堆積させて同じエンベロープ内に銅ライナーを構築できる DED システムは、非常に魅力的な経済的利点を備えた、より高度な宇宙コンポーネントを実現する大きな機会を提供します。

レーザー産業の最近の発展により、代替波長範囲でより高いレーザー出力を備えたダイオード レーザーが提供されています。 特に、可視光スペクトルの緑色光レーザーと青色光レーザーが経済的に実現可能になったのはつい最近のことです。 図 3 は、900 ～ 1,070 nm の範囲の IR レーザーと比較して、450 nm の波長スペクトルの青色光レーザーを使用する利点を示しています。 青色レーザー (450 nm) は緑色レーザー (515 nm) よりもさらに進歩しています。 エネルギー吸収はすべての金属で改善され、銅で最も顕著な改善が見られます。

基本元素である鉄、ニッケル、銅を比較すると、吸収性が向上していることがわかります。 銅は IR スペクトルの光をほとんど吸収せず、青色の波長スペクトルではニッケルや鉄と同じレベルの吸収に跳ね上がります。 同様に、ニッケルは青色レーザー範囲で 19% 高い効率で光を吸収します。 その結果、純銅や CU18150 などの低合金銅合金の蒸着が DED プロセスで可能になります。