改善された降伏強度と欠陥の制御により、3D印刷Al-Li合金の性能が大幅に向上します
気孔率は、金属3D印刷において常に重要な冶金学的欠陥であり、部品の疲労寿命を低下させるだけでなく、静的な機械的特性も低下させます。 最近、北京工科大学の研究者が研究論文を発表し、ひずみ制御によって堆積方向に沿った微細孔の分布を効果的に排除できることを発見し、最終的にアーク3D印刷によって印刷されたAl-Li合金の降伏引張強度が199％、極限引張強さは199％増加します。引張強さは168％増加し、伸びは460％増加しました。
アルミニウム・リチウム合金は、軽量構造材料のひとつとして、密度が低く、比強度と剛性が高いことから注目を集めており、航空宇宙産業で広く使用されています。 2020年12月、私の国で最初の直径3.35メートルのアルミニウム-リチウム合金ロケット貯蔵タンクがロケットアカデミーで誕生しました。このタイプの貯蔵タンクの製造と研究では、摩擦攪拌溶接が8つの主要技術の1つにランクされています。この技術使用することもできます添加剤製造プロセスに変換します。
WAAMアークヒューズ3D印刷技術は、層ごとのクラッドと不活性ガス保護の原理を使用したアーク積層造形プロセスです。現在、このプロセスは、Al-Cu合金（2xxx）、Al-Mg-Si合金（6xxx）、Al-Zn合金（7xxx）を含む一連のアルミニウム合金を形成することができます。アルミニウム-リチウム合金の強度と靭性に対するミクロ多孔性の悪影響により、この材料のアーク3D印刷の主な欠陥の1つになっています。 WAAMプロセスにおけるミクロポアの空間分布、熱処理後のミクロポアの進化特性、およびミクロポアを抑制する方法を理解および分析することは、アルミニウム-リチウム合金の機械的特性を改善するために非常に重要です。
この点に関して、北京理工大学のWang Junsheng教授は、WAAM技術を使用して製造されたAA2196Al-Li合金のミクロ細孔欠陥を研究しました。 AA2196は、新しいタイプのアルミニウム-リチウム合金として、高弾性率、高比強度、優れた耐損傷性などの優れた特性を備えています。航空宇宙製造業の発展に伴い、アルミニウム構造部品の複雑な幾何学的構造に高い要件が課せられています。アディティブマニュファクチャリングには、これらの問題を解決する上で利点があります。
研究者らは、WAAM AA2196Al-Li合金のミクロポア欠陥に対する熱変形と熱処理の影響について議論しました。サンプルのミクロポアの形態と分布および機械的特性を特徴づけ、分析しました。さらに、WAAM Al-Li合金のミクロ多孔性を低減し、析出強化を促進する方法が提案されています。これは、WAAMAA2196合金の機械的特性を改善するために非常に重要です。関連する研究結果は、「凝固欠陥を制御することにより、ワイヤーアーク積層造形AA2196Al-Li合金の機械的特性を改善する」というタイトルでトップメタルマガジンAdditiveManufacturingに掲載されました。
WAAM蒸着原理と印刷された2196Al-Li合金サンプル
アーク3Dで印刷された2196Al-Li合金は、柱状結晶と等軸結晶（アークの移動方向に平行）で構成されています。 23％および42％の熱変形後、合金の連続共晶ネットワーク構造は小さな断片に分割され、マトリックス金属に均一に分布し、大きな共晶相はほとんどありません。堆積した合金にはわずかな微細孔しか見られませんが、T6熱処理後に多数の微細孔が核形成して成長します。
アーク3Dによって印刷された2196Al-Li合金の微細構造分布：（a）粒子サイズの特性評価、および（b）粒子サイズ分布。
合金の複雑なミクロポーラス形態は、通常、金属組織学的観察では検出が困難です。ミクロポアの平面分布は、WAAM3Dプリントされた2196Al-Li合金でSEMによって観察できますが、2次元平面に限定されているため、ミクロポアの3次元空間特性を視覚化することはできません。
このため、研究者はXCTを使用してプリントを検査し、微細孔を抽出して青色でマークしました。試験結果は、堆積したサンプル中にミクロポアがランダムに分布していることを示したが、ミクロポア鎖は層間の境界領域に見られた。明らかに、微細孔の蓄積は常に層間の境界領域にあり、したがって多孔質媒体の高密度鎖を形成します。堆積したままのプリントと比較して、層間境界領域の微細孔の数は、T6熱処理後に増加し、微細孔のサイズも増加傾向を示した。変形が23％から42％に増加するにつれて、微細孔のサイズと数は徐々に減少します。ミクロポアのサイズは、23％の熱変形後、変形が42％に達するまで抑制されなかったことに注意する必要があります。したがって、熱変形量を増加させない限り、残りの微細孔は依然として層間境界領域に分布していると結論付けられる。
Al-Li合金の堆積状態、T6、23％の熱変形+ T6および42％の熱変形+ T6の条件下での、材料内のミクロポアの蓄積と最大のミクロポア形態の3Dビュー
機械的性能試験は驚くべき結果を示しました。堆積したままのサンプルの硬度値は103HVであり、T6熱処理後は138HVで34％増加し、42％の熱変形後の硬度値は151HVに達し、堆積したままの状態と比較して47％増加します。サンプル。堆積したままの合金の平均降伏強度、引張強度、伸びはそれぞれ187Mpa、262MPa、1.5％です。T6熱処理後、3つの指数はそれぞれ286Mpa、376Mpa、7.2％に達し、152％、143％増加します。 380％; 42％の熱処理後、平均降伏強度と引張強度は372MPaと439MPaに達し、基本的に23％の熱変形と同じですが、23％の熱変形後の伸びはわずか0.9％です。42％後熱変形、それは6.9％に達します。これらのデータは、堆積されたままの状態の性能をはるかに超えています。
アルミニウム-リチウム合金の堆積状態、T6、23％の熱変形+ T6および42％の熱変形+ T6の条件下での材料の平均降伏、引張強度、および伸び
さまざまな条件下で、2196 Al-Li合金のミクロポアの等価直径分布の頻度：（a）堆積したWAAM;（b）T6;（c）23％の熱変形+ T6熱処理;（d）42％の熱変形+ T6熱処理
堆積したアルミニウム-リチウム合金の微細孔の形成は、主に水素の過飽和によるものです.3D印刷の溶融速度が非常に速いため、液体から固体への変換中に水素の溶解度が急激に変化すると、水素の過飽和が発生します時間内にオーバーフローすることができず、融合につながります。その後、水素の細孔が形成されます。したがって、堆積状態のミクロポアは溶融経路に沿って分布し、溶融を繰り返すことにより、層間により高密度のミクロポア鎖が形成される。熱変形プロセスはミクロポアを圧縮することができますが、閉鎖の程度は圧延荷重と変形量に依存します。より高い荷重とより大きな変形のみがより多くのミクロポアを閉鎖します。
蒸着合金と比較して、42％の熱変形とT6熱処理を行った後、材料の性能が大幅に向上しました。これは主に、T1相と多数のナノスケールT1相の核形成サイトを導入する転位密度の導入によるものです。さらに、42％の熱変形後、合金マトリックスの全体的な気孔率は1.02％から0.01％に減少し、ミクロポアの最大直径は100µmから30µmに減少し、ミクロポアが効果的に修復されたことを示しています。したがって、42％の熱変形とT6熱処理の後、機械的特性の改善は、微細構造の最適化と微細孔の修復によるものです。