研究背景金屬の3Dプリンティングでは、粗大な柱狀粒や不均一に分布した相がしばしば発生し、その結(jié)果、機(jī)械的特性が不均一になったり、あるいは悪くなったりする。この研究では、3Dプリンティングによってチタン合金の高強(qiáng)度と一貫した特性を得るための直接的なアプローチを可能にする設(shè)計(jì)戦略を含む。粉末金屬混合物にモリブデン（Mo）を添加することで、相安定性が向上し、3Dプリント合金の強(qiáng)度、延性、引張?zhí)匦预尉恍预纳皮丹欷毪长趣兢丹欷俊Ｍ?hào)に掲載されたScience誌の総説は、この方法論は他の粉末混合物にも適用でき、強(qiáng)化された特性を持つ異なる合金を調(diào)整できることが有望であると述べている。

金屬3Dプリント合金の特性が均一でない主な理由は以下の通りである。レイヤー?バイ?レイヤー3Dプリンティング?プロセスでは、通常、10枚のレイヤーを印刷します。³-10⁸K/sという高い冷卻速度は、金屬粉末が溶融するメルトプールの端と底付近に大きな熱勾配を生じさせる。この熱勾配は、新たに溶融した材料とその下の固體材料との界面に沿ってエピタキシャル結(jié)晶粒成長(zhǎng)を誘発し、結(jié)晶粒はメルトプールの中心に向かって成長(zhǎng)する。多層印刷中の加熱と部分的な再溶融のサイクルは、最終的に大きな柱狀結(jié)晶粒と不均一に分散した相の形成につながる。

各種金屬材料の強(qiáng)度-延性

チタン合金は、最も広く使用されている金屬3Dプリンティング材料の一つです。常溫でのエンジニアリング用途では、適切なチタン合金は一般的に10～25％の引張伸びを示し、これは良好な材料信頼性を反映しています。より大きな伸び（延性）は成形を容易にし、用途によっては好まれますが、機(jī)械的負(fù)荷に耐えるためには、この伸び範(fàn)囲での強(qiáng)度の向上がしばしば好まれます。金屬材料を加工する従來(lái)の製造技術(shù)と付加製造技術(shù)のいずれにおいても、強(qiáng)度と延性のバランスを常に考慮する必要がある。

強(qiáng)度と延性を向上させるための戦略と限界

3Dプリント合金の強(qiáng)度と延性を向上させるには、さまざまな戦略がある。.これには、合金設(shè)計(jì)の最適化、プロセス制御、微細(xì)粒界強(qiáng)化、粒微細(xì)構(gòu)造の改質(zhì)だけでなく、不要相（脆性相）の抑制、第二相の導(dǎo)入、後処理などが含まれる?，F(xiàn)在、柱狀結(jié)晶と望ましくない相の問(wèn)題に対処するための研究は、微細(xì)構(gòu)造と相組成を修正するための元素のin situドーピングに集中している。このアプローチは、等方性結(jié)晶、すなわち縦軸と橫軸に沿った粒徑がほぼ等しい構(gòu)造の形成も促進(jìn)する。in situ合金化は、強(qiáng)度と延性のバランスを克服する有望な方法である。特に、粉末床溶融や指向性エネルギー堆積法などの3Dプリンティング技術(shù)において。.

研究者たちは、3Dプリント合金にさまざまな元素を添加した場(chǎng)合の結(jié)晶粒形態(tài)と機(jī)械的特性について探求してきた。例えば、ナノセラミック水素化ジルコニウム粒子を印刷不可能なアルミニウム合金にドーピングした結(jié)果、印刷可能でクラックのない材料が得られ、洗練された等軸結(jié)晶粒微細(xì)構(gòu)造と錬成材に匹敵する引張?zhí)匦预盲椁欷蓼筏?。しかしながら、チタン合金の?chǎng)合、市販されている結(jié)晶粒微細(xì)化剤は、通常、結(jié)晶粒構(gòu)造に限定的な効果しか與えません。チタン合金の微細(xì)化メカニズム、特に3Dプリンティング凝固中の柱狀から等軸への遷移は広く研究されていますが、効率性の限界は殘っています。この障害を克服する試みには、処理パラメーターの変化、高強(qiáng)度超音波の適用、合金設(shè)計(jì)による所望の不均質(zhì)構(gòu)造の導(dǎo)入、不均質(zhì)核生成部位での結(jié)晶粒微細(xì)化剤としての溶質(zhì)の添加、および高い過(guò)冷卻能力を持つ溶質(zhì)の組み込みが含まれる。β共晶安定剤?jiān)谻u、Fe、Cr、Co、Niのような元素はチタンへの溶解度を制限する。

新たな研究が大躍進(jìn)につながる研究者らは、チタン合金の脆い金屬間共晶の形成につながるβ-共晶安定剤?jiān)丐蚴褂盲工氪铯辘恕i-5553（Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr）用のβ-ホモ結(jié)晶グループ［ニオブ（Nb）、タンタル（Ta）、バナジウム（V）を含む］からMoを選択した。in-situ 合金化プロセスにおいて、モリブデンは溶融プールに正確に輸送され、各走査層で結(jié)晶形成と微細(xì)化のための種核として作用する。Mo 添加物は、大きな柱狀結(jié)晶から微細(xì)な等軸および狹い柱狀構(gòu)造への転移を促進(jìn)する。Mo はまた、所望のβ相を安定させ、熱サイクル中の相異質(zhì)の形成を抑制する。

Mo添加Ti-5553チタン合金の特性評(píng)価

研究者らは、Ti-5553+5Moの降伏強(qiáng)度と破斷伸びを、L-PBF狀態(tài)および印刷後熱処理で製造したTi-5553（およびTi-55531、Ti-55511）と比較した。製造狀態(tài)のTi-5553およびその類似合金と比較すると、Ti-5553+5Moは同等の降伏強(qiáng)度を示すが、延性は著しく向上している。印刷後熱処理は、L-PBFで製造されたTi-5553の機(jī)械的特性のバランスをとるために一般的に使用される。特定の熱処理?xiàng)l件下で は高い降伏強(qiáng)さ(>1100MPa)を達(dá)成できるが、延性は 通常、破斷伸び<10%と著しく劣化するため、安全 性が重要視される用途での使用は制限される。対照的に、下流の熱処理を必要としないTi-5553+5Mo材料L-PBFの直接印刷部品は、強(qiáng)度と延性の優(yōu)れたバランスを示し、同様の合金の中で際立っている。最終的に、研究者たちはこの戦略を使って、次のような部品を作製した。降伏強(qiáng)さ926MPa、破斷伸び26%の均一性に優(yōu)れた材料。

L-PBF法で作製したTi-5553の組織と機(jī)械的性質(zhì)

L-PBF法で作製したTi-5553およびTi-5553+5Moの機(jī)械的性質(zhì)

Ti-5553+5Moの機(jī)械的特性は、Ti-5553に比べて非常に均質(zhì)であり、改善されていた。部品の品質(zhì)を評(píng)価するためのマイクロフォーカスCT(マイクロCT)スキャンによって、両材料が非常に高い密度を示し、総細(xì)孔容積分率がそれぞれ0.004024%と0.001589%であることが判明した。このような高い密度は、多孔性がTi-5553の高度に分散した引張?zhí)匦预卧颏趣胜肟赡苄预亭い长趣蚴舅簸筏皮?、Ti-5553+5Moの機(jī)械的特性の高い一貫性と一致している。+5Moの機(jī)械的特性の高い一貫性。結(jié)晶粒構(gòu)造に対するMo添加の効果を明らかにするために、研究者らはTi-5553とMo添加Ti-5553の電子後方散亂回折（EBSD）特性評(píng)価を行った。5.0wt%のMoをTi-5553に添加すると、結(jié)晶粒構(gòu)造とそれに伴う結(jié)晶構(gòu)造に大きな変化が生じる。Ti-5553+5Moの走査軌跡のエッジに沿って形成される多くの微細(xì)な等軸粒（直徑～20μm）が非常に目に見(jiàn)える。対照的に、Ti-5553+5Moの微細(xì)構(gòu)造は、微細(xì)な等軸結(jié)晶粒と狹い柱狀結(jié)晶によって特徴づけられる。微細(xì)組織を詳細(xì)に観察すると、微細(xì)な柱狀結(jié)晶粒が周期的に分布していることがわかる。Ti-5553の多層にわたる高度に織り込まれた柱狀結(jié)晶とは異なり、Ti-5553+5Moの柱狀結(jié)晶の長(zhǎng)さスケールはメルトプールサイズによって決定され、結(jié)晶の織り目はランダムで弱くなる。

Ti-5553およびTi-5553+5Moの微細(xì)構(gòu)造解析

Ti-5553とモリブデン添加Ti-5553の相分析

Ti-55535から作製した破壊試験片のEBSD特性評(píng)価終了

しかし、研究者らは微細(xì)構(gòu)造中に未溶解のモリブデン粒子を同定しており、その潛在的な影響は不明である。実際、in situ合金化戦略における未溶解粒子のランダムな存在は、機(jī)械的特性や腐食特性に関連する懸念を引き起こす。例えば、in situ合金添加粒子の完全溶融は、より高いエネルギーを必要とする可能性があり、過(guò)熱は、微細(xì)構(gòu)造の変化や機(jī)械的特性の劣化につながる可能性がある。さらに、未溶解のMo粒子に起因する動(dòng)的疲労特性や腐食特性は不明である。印刷後の熱処理により未溶解粒子を除去することは可能ですが、微細(xì)構(gòu)造が変化し、機(jī)械的特性に影響を及ぼす可能性があります。

全體として、この科學(xué)研究で提案された設(shè)計(jì)戦略は、さまざまな金屬粉末原料、さまざまな印刷可能な合金システム、さまざまな3D印刷技術(shù)、および高度なマルチマテリアル印刷を探求する道を開(kāi)くものである。また、柱狀結(jié)晶粒の形成を抑制し、望ましくない相の不均一性を防ぐことができる。これらの問(wèn)題は、各パウダーの印刷パラメータによって影響される、異なる熱分布によって生じる。この戦略はまた、印刷狀態(tài)での強(qiáng)度と延性のバランスを克服し、印刷後の処理の必要性を最小限にする。

3D打印新突破！2024年第二篇Science研究！最先出現(xiàn)在三帝科技股份有限公司。

　　北京龍?jiān)醋詣?dòng)成形システム有限會(huì)社CTO、中國(guó)粉末冶金工業(yè)技術(shù)革新戦略連盟3Dプリンティング専門(mén)委員會(huì)委員リー博士李博士は同會(huì)議に招かれ、「3Dプリンティング積層造形技術(shù)の発展現(xiàn)狀と動(dòng)向」と題する専門(mén)家報(bào)告を行った。李博士は報(bào)告の中で、積層造形技術(shù)（3Dプリンティング）には、成形が不要で、非常に複雑な構(gòu)造を三次元で造形し、製品構(gòu)造と付加価値の最適化を強(qiáng)化し、材料利用率を大幅に向上させ、研究開(kāi)発コストを削減し、製品の市場(chǎng)投入を加速し、個(gè)別化?カスタマイズ設(shè)計(jì)と製造、柔軟性と「分散型」製造を?qū)g現(xiàn)するという有利な特徴があると指摘した。製造およびその他の有利な特徴は、國(guó)家製造業(yè)の転換とアップグレードの発展を支援する戦略的な必要となっている。いくつかのデータによると、2014年の世界の積層造形の市場(chǎng)規(guī)模は約41億ドルで、2013年比35.2%の前年比増加、この業(yè)界の將來(lái)は高い成長(zhǎng)率を維持し続け、2020年までに200億ドル以上に達(dá)すると予想される。現(xiàn)在、中國(guó)の積層造形市場(chǎng)規(guī)模は世界の約8-10%を占め、高い発展率を維持し、世界の積層造形産業(yè)の急成長(zhǎng)地域の一つとなっている。

Zifu Li博士が會(huì)議で専門(mén)的なプレゼンテーションを行った。

 　　金屬3Dプリンティングは、高性能の金屬機(jī)能部品を3次元で直接製造できるハイエンド積層造形技術(shù)であり、米國(guó)、英國(guó)、ドイツなど世界の先進(jìn)國(guó)におけるハイエンド製造業(yè)の優(yōu)位性を強(qiáng)化?強(qiáng)化する重要な技術(shù)とみなされており、國(guó)家科學(xué)技術(shù)発展戦略のレベルから計(jì)畫(huà)?立案されている。高品質(zhì)の金屬粉末材料は、高性能の製品印刷を?qū)g現(xiàn)するための前提條件となる基礎(chǔ)であり、金屬粉末積層造形技術(shù)の高速発展は、金屬粉末冶金産業(yè)に新たな問(wèn)題を提起するだけでなく、新たなチャンスももたらした。李博士によると、現(xiàn)在、金屬粉末積層造形設(shè)備は設(shè)備と材料適性の存在により、外國(guó)のハイエンド製品に獨(dú)占され、外國(guó)の金屬粉末材料の供給を獨(dú)占している。外國(guó)ブランドの金屬粉末は高価で、供給サイクルが長(zhǎng)く、敏感な材料が含まれる場(chǎng)合、外國(guó)の輸出制限も受ける。従って、積層造形金屬粉の國(guó)産化を?qū)g現(xiàn)することは必須である。

　　李博士は、金屬積層造形の今後の発展について、材料とプロセスの面では、材料の多様性を向上させ、コスト優(yōu)位性のある國(guó)産金屬粉末材料を開(kāi)発し、積層造形技術(shù)と伝統(tǒng)的な材料成形技術(shù)の綿密な融合を強(qiáng)化し、粉末材料の設(shè)計(jì)と準(zhǔn)備、積層造形プロセスの最適化、後続加工プロセスの最適化などを統(tǒng)合した大規(guī)模なデータベースを構(gòu)築する必要があると述べた。設(shè)備システムの面では、より大きな空間を形成する傾向があり、付加製造プロセスの監(jiān)視システムはよりインテリジェントであり、設(shè)備の専門(mén)化、「金屬付加製造＋」インテリジェント製造モードなどである。アプリケーションでは、機(jī)能部品、醫(yī)療?健康分野、自動(dòng)車?航空宇宙分野の直接製造に向かう傾向がある。

　　北京龍?jiān)醋詣?dòng)成型システム有限公司はSANDY印刷技術(shù)有限公司の持ち株子會(huì)社である。1994年に設(shè)立され、北京市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)に認(rèn)められたハイテク企業(yè)、中関村のハイテク企業(yè)、海淀區(qū)の革新的な企業(yè)であり、2002年にISO9001國(guó)際品質(zhì)システム認(rèn)証を取得した。1994年に最初のレーザーラピッドプロトタイピングマシンの開(kāi)発に成功して以來(lái)、當(dāng)社は選択的レーザー粉末焼結(jié)（SLS）ラピッドプロトタイピングマシンの開(kāi)発に専念し、同時(shí)にラピッドプロトタイピング加工サービスの応用にも力を注いでいます。龍?jiān)丛煨亭?、中?guó)で最も早く工業(yè)グレードの積層造形裝置を開(kāi)発、生産、販売した企業(yè)として、航空宇宙、國(guó)防、自動(dòng)車、バイク、醫(yī)療などの分野で400社以上の顧客に高品質(zhì)のソリューションサービスを提供している。(文/嘉裕)

2015年金屬粉末制備工藝技術(shù)專題研討會(huì)在京舉行最先出現(xiàn)在三帝科技股份有限公司。