レーザー粉体層溶融法で加工した準安定CrMnNi鋼：微細構造、特性、残留応力に寄与する基本機構の実験的評価

Scientific Reports volume 12、記事番号: 21862 (2022) この記事を引用

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レーザーベースの粉末床金属融合 (PBF-LB/M) プロセスによって課される複雑な熱履歴が、独特の微細構造の進化を促進することが知られています。 本研究では、異なるニッケル含有量、したがって異なる相安定性を有する準安定CrMnNi鋼をPBF-LB/Mによって製造した。 結果は、材料を適切に選択することで、完成したままの材料の機械的特性と残留応力状態を調整して、最終的に熱後処理を冗長化できることを明らかに示しています。 化学的差異は、構築されたままの状態で異なる相構成をもたらし、したがって、変形時の微細構造の進化および基本的な変形機構、すなわち双晶化およびマルテンサイト変態に影響を与える。 積層造形 (AM) 用に設計されたこのような合金は、応力除去や熱間静水圧プレスなどの後処理を行わずに、限られた損傷耐性、気孔率、有害な残留応力状態などの AM におけるよく知られた課題に取り組む可能性を強調しています。 AM コンポーネントの堅牢な設計の観点から見ると、材料を AM のプロセス特性に適合させるのは非常に効果的なアプローチであると思われます。

過去 10 年間で、レーザーベースの金属粉体層溶融 (PBF-LB/M) (レーザー粉体層溶融 (LPBF) または選択的レーザー溶融 (SLM) とも呼ばれる) などの積層造形 (AM) プロセスが、試作から直接製造までを行うためにのみ使用される技術。 層ごとの積層構造と前例のない自由な設計は、航空宇宙や医用工学などの多くの業界にとって魅力的です。 特に工具不要の製造は、軽量部品にとって最も重要である個別化、小バッチ生産、高度なトポロジー最適化の点で利点となります1。

PBF-LB/M プロセスでは、プロセス固有の冷却条件と溶融プールのダイナミクスにより、多くの場合、独特の微細構造が生じます。 しかし、有利な特徴には通常、有害な残留応力や気孔率などの材料欠陥が伴います2、3、4。 高い応力は、小さな溶融プール サイズと高い冷却速度に起因すると考えられます。 多孔性は、多くの場合、不適切なプロセスパラメータの組み合わせに起因するか、粉末自体によって発生する可能性があります。 さまざまな産業分野の推進により、チタン合金 Ti6Al4V、ニッケル基超合金インコネル 718 (IN718)、およびオーステナイト系ステンレス鋼 316L が数多くの研究の焦点となり、関連するプロセスと特性の関係が詳細に研究されました5、6、7、8。 ここ数年で、AM 技術によって処理される合金の範囲は急速に拡大し、たとえばアルミニウム合金、工具鋼、さらにはスマートマテリアルが研究の焦点となっています9、10、11、12、13。 AM 金属は、従来の方法で製造された同等品とは異なる機械的特性、たとえば強度の向上やヤング率の変化などによって特徴付けることができます 14、15。 PBF-LB/M プロセスでは、316L タイプ合金の完成後の微細構造に粗大粒子が発生する傾向があります。 これらの粒子は主に構築方向 (BD) に伸長しており、好ましい結晶方位の発達につながり、最終的には異方性の機械的特性が得られます 16,17。 このような異方性微細構造の発達は、主に、指向性熱流、エピタキシャル凝固/成長、急速冷却、および冷却プロセス内での相変態の欠如に起因します。 PBF-LB/M および金属の電子ビーム粉末床溶融 (PBF-EB/M) によって処理された IN718 についても、同様の微細構造の進化、つまり粗大粒子と強い組織が示されました 18,19。 粗粒のオーステナイト鋼は通常、強度を犠牲にして高い延性を示します。 ただし、積層造形された 316L は、従来の方法で製造された同等品と比較すると、高い延性と併せて大幅に高い降伏強度 (YS) を示します。 これは、サブグレイン構造がホールペッチ関係に従って最終的に強度を増加させることに起因すると考えられます20。 したがって、PBF/LB-M は、強度と延性のトレードオフを克服する有望なプロセスとなります 21,22。