インコネル 825 の機械的、微細構造、破壊の研究

Apr 18, 2024

Scientific Reports volume 13、記事番号: 5321 (2023) この記事を引用

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この論文では、冷間金属転写ベースのワイヤ アーク積層造形プロセスを使用して、機能的に傾斜したインコネル 825 ～ SS316L 壁を製造する新しい方法を紹介します。 インコネル 825 の光学顕微鏡写真は、連続および不連続の樹枝状構造を示しています。 SS316L 領域は、初次オーステナイト (γ) 樹枝状結晶中に 5% のδフェライトを含み、これは Creq/Nieq 比 1.305 によって確認されました。 機能的に傾斜した界面は、細長い樹状突起から微細な等軸樹状突起への移行を伴う部分的に混合されたゾーンを示しています。 作製した壁の引張特性は、インコネル 825、SS316L、および界面領域から抽出した試験片を使用して室温で測定しました。 引張試験した試験片の形態から、延性破壊を示す重大な塑性変形が明らかになりました。 壁の破壊靱性は、亀裂先端開口変位 (CTOD) 試験を使用して実験的に調査されました。 破壊形態は、亀裂の進展方向に垂直な縞模様を伴う延性破壊モードを示しました。 元素マッピングの結果、破面には元素の偏析の形跡はなく、元素が均一に分散していることがわかりました。 CTOD は、インコネル 825 側で 0.853 mm、SS316L 側で 0.873 mm です。 試験結果により、インコネル 825 側と SS316L 側の両方が良好な破壊靱性を持っていることが確認されました。

歴史を通して、材料を理解し、操作する能力はテクノロジーの進歩にとって不可欠でした。 今日の科学者や技術者は、経済と環境の観点から新しい材料の価値を理解しています。 傾斜機能材料 (FGM) は、元素組成の一定の変化を示す部品内の洗練された非常に機能的なゾーンであり、その結果、斬新でカスタマイズされた機械的または熱的特性が得られます1。 航空宇宙、海洋、原子力工学、高温保護コーティングなどのさまざまな用途に適した、強化された特性を備えた材料を開発できる能力により、FGM への注目が大幅に高まっています2。 サイズと構造特性は、勾配材料を分類するために使用できる 2 つの要素です。 勾配はかさばる場合もあれば、薄い部分 (表面コーティングなど) になる場合もあり、これには独特の処理技術が必要です。 構造に応じて、連続型と不連続型の 2 つのグループに分けられます。 不連続な勾配を持つ材料では、微細構造または化学組成が徐々に変化し、その界面は通常、知覚可能で観察可能です。 反対に、連続勾配のある材料では、化学組成または微細構造が位置とともに連続的に変化するため、勾配構造を横切る界面として明確な境界を認識することはほぼ不可能になります3。

最近、多くの研究者が金属ベースの FGM に注目しています。 Sobczak et al.4 は、金属ベースの FGM の基本的な製造プロセスについて説明しました。 Domack et al.5 は、3 つの異なる製造技術を使用して、Inconel 718-Ti-6Al-4V FGM を作成しました。 レーザーによる直接金属堆積のサンプルでは、​​顕著な元素偏析と粗い樹枝状微細構造が示されたことが報告されています。 Tian ら 6 は、冷間金属トランスファー溶接を使用して、異種 Ti-6Al-4 V および AlSi5 合金の機械的および微細構造的挙動を調査し、界面層に亀裂を発見しました。 これは、Al と Ti の合金収縮の違いにより、界面層で発生し、Al 側にまで広がりました。 Niendorf et al.7 は、選択的レーザー溶解 (SLM) がさまざまな局所的機能を備えたステンレス鋼部品の製造に使用されていると報告しました。 彼らは、急峻な微細構造勾配が、独特の局所的な機械的特性をもたらすことを発見した。 指向性エネルギー堆積を使用してインコネル 625 および SS304L から FGM を製造できることが実証されており、これらの材料の特性と熱力学モデルが Carroll らによって研究されています 8。 インコネル合金は、加工中に硬化し、切削工具に付着する傾向があるため、加工が困難です9、10。 Inconel825 および SS316L は、クロム含有量が高いオーステナイト系材料であり、高温腐食に対する優れた耐性を備えています11。 これら 2 つの材料の溶融溶接中に凝固亀裂が発生する可能性があります。 この問題を回避するには、コールド メタル トランスファー (CMT) ベースの WAAM プロセスを使用できます12。 CMT プロセスは、2004 年にオーストリアの Fronius International によって開発された改良型ガスメタル アーク溶接プロセスです。 名前が示すように、CMT ベースの WAAM は、非常に少ない入熱で溶融金属を移動させて壁を製造するプロセスです。 スマート自動化システムと組み込みコントローラーを備えた溶接ヘッドは、接触時にフィラーを溶融プールから引き離し、溶融金属を機械的に移送することで、関与する熱量を削減します。 また、冷却速度を高めるため、基板ホルダーの下にはアルミ製のフィンと送風機を設置しています。 これにより、印刷パーツの品質が向上します。 さらに、CMT ベースの WAAM プロセスは、揺るぎないアーク、プロセスの安定性の向上、および制限された希釈を実現します13。 したがって、CMT ベースの WAAM は、他の積層造形プロセスよりも高速な製造を可能にする高い堆積速度により、大量生産の大きな可能性を備えた高度に特殊化された積層造形プロセスです。