添加摩擦撹拌蒸着AZ31B Mg合金の微細構造進化と機械的応答に対するマルチモーダルアプローチ

Scientific Reports volume 12、記事番号: 13234 (2022) この記事を引用

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メトリクスの詳細

現在の研究では、添加摩擦撹拌堆積を使用した AZ31B-Mg 合金の固体積層造形を調査しました。 相対密度 ≥ 99.4% のサンプルは加算的に生成されました。 積層摩擦撹拌堆積中の温度の空間的および時間的変化は、多層計算プロセス モデルを使用して予測されました。 積層造形サンプルの微細構造の進化は、後方散乱電子回折と高解像度透過型電子顕微鏡を使用して検査されました。 添加剤サンプルの機械的特性は、非破壊有効体積弾性率エラストグラフィーおよび破壊一軸引張試験によって評価されました。 添加的に製造されたサンプルでは、​​供給原料と比較して、主に上面の基礎組織が進化し、粒子サイズがわずかに増加しました。 透過型電子顕微鏡により、原料および添加剤サンプル内の Mg\(_{17}\)Al\(_{12}\) の微細な析出が明らかになりました。 Mg\(_{17}\)Al\(_{12}\) の割合は、添加剤で製造されたサンプルでは原料と比較して減少しました。 添加剤サンプルの体積動的弾性率は、原料よりもわずかに低かった。 添加剤で製造されたサンプルでは、​​原料と比較して、0.2% 耐力が \(\sim\,\) 30 MPa 低下し、極限引張強さが 10 ～ 30 MPa 低下しました。 添加剤サンプルの伸びは、原料より 4 ～ 10% 低かった。 添加摩擦撹拌堆積された AZ31B-Mg 合金のこのような特性応答は、マルチスケールの微細構造の進化による明確な熱動力学によって実現されました。

マグネシウム合金は、これらの材料の低密度から生じる高い比強度により、自動車、航空宇宙、生物医学産業で応用されています1、2、3、4、5。 マグネシウム合金は、優れた生体適合性 6,7 と電磁シールド能力 8 も備えています。 しかし、Mg 合金は鋳造中に酸化する傾向があり、変形中に強い組織が発生するため、鋳造や冷間加工などの従来の方法を使用した Mg 合金の加工には限界があります 4,9。 したがって、研究者らは、レーザービーム積層造形 (LBAM)、ワイヤーアーク積層造形 (WAAM)、積層摩擦撹拌堆積 (AFSD) などの積層造形 (AM) ルートを使用して、これらの制限を克服する戦略を検討しました 10、11、12。 LBAM および WAAM 技術は、粉末またはワイヤの形状の供給材料の溶融に基づいています。 LBAM 技術と WAAM 技術は両方とも、前駆体材料の溶融と固化に依存します。 一方、AFSD はソリッドステート方式です。 AFSD 中に使用される供給材料は、粉末の使用を避けて市販されているロッドまたはチップの形です13。 Mg の粉末は自然発火性が高いため、これは特に重要です 14。

AFSD は、摩擦撹拌処理 (FSP) と同様の原理で動作します。 ただし、AFSD では、FSP に使用される固体ツールの代わりに、中空の非消耗ツールが使用されます。 供給材料は、ツール、供給材料、および基板の間で発生する摩擦熱により塑性変形する中空回転ツールを通して供給されます。 このような摩擦により、供給材料が軟化し、その後工具の下に押し出されます。 次に、ツールはその後の層の堆積のために横移動されます。 AFSD は、最近 MELD® などの AM マシンの開発により進化しました。 複雑な形状を持つ完全に高密度の大型コンポーネントを製造する能力があります15、16。 従来の鉄 17 合金および非鉄 18、19、20 合金の AM は、AFSD を通じて研究されてきました。

現在まで、Mg 合金の AFSD に関連する報告はほとんど発表されていません 21、22、23。 Calvert の研究では、ASFD による WE43 Mg 合金の堆積の成功を実証しましたが、プロセス属性と相関した微細構造の進化の説明が不足していました 21。 ロビンソンらアル。 は、AZ31B-Mg の AFSD を実証し、微細構造および機械的特性の進化を調べました 22。 引張試験の結果、AFSD 処理された AZ31B-Mg は、鍛造 AZ31B-Mg 材料と比較して、0.2% 耐力 (0.2% PS) が \(\sim\) 20% 低下し、極限引張強さ (UTS) が同一であることがわかりました。 。 この研究は、そのような機械的特性の低下の背後にある限定的な説明と理論的根拠を提供しました。 別の取り組みでは、Williams ら。 アル。 AFSD23 を通じて WE43 Mg 合金を蒸着しました。 これらの著者らは、原料と比較して AFSD 加工材料の粒径が \(\sim\) 22 倍減少したと報告しましたが、それでも 0.2% PS では \(\sim\) 80 MPa の減少を観察しました。 \) 供給材料と比較して、UTS が 100 MPa 減少し、伸びが 11% 減少しました。 この研究では、AFSD 中のさまざまな処理条件を調べましたが、AFSD WE43 Mg 合金の構造特性の進化に関する物理的な説明が不足していました。