[論文レビュー] Additive Manufacturing of Nickel Based Superalloy

Apoorv Kulkarni|arXiv (Cornell University)|May 14, 2018

Additive Manufacturing Materials and Processes参考文献 6被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、電子ビーム溶融（EBM）、レーザービーム溶融（LBM）、直接エネルギー堆積（DED）などの技術を用いたニッケル基スーパーライ合金の増加製造（3Dプリント）についてレビューする。結果として得られる微細組織、特性、性能を分析し、高性能応用における指向性凝固および熱サイクルの影響を強調する。

ABSTRACT

This paper reviews the use of relatively new manufacturing method called as additive manufacturing, most often mentioned as 3D printing in fabrication of high performance superalloys. The overview of the article describes the structure, property, processing, performance relationship of the fabrication process and the superalloys. The manufacturing methods such as Electron Beam Melting, Laser Beam Melting and Direct Energy Deposition used to fabricate commercially available alloys are explained. The microstructure / grain structure resulting from directional building, complex thermal cycles is discussed. An overview of the properties of the superalloys and their performance as well as applications is presented.

研究の動機と目的

• 添加製造されたニッケル基スーパーライ合金における構造-特性-プロセス-性能の関係を分析すること。
• 主な添加製造技術（電子ビーム溶融、レーザービーム溶融、直接エネルギー堆積）が商業用スーパーライ合金に与える効果を評価すること。
• 添加製造中の指向性積層および複雑な熱サイクルが引き起こす微細組織の進化を理解すること。
• 添加製造されたスーパーライ合金の機械的特性、性能、実用的応用を評価すること。
• 航空宇宙およびエネルギー分野における高性能スーパーライ合金のAM分野における最新技術動向を包括的に概説すること。

提案手法

• ニッケル基スーパーライ合金の添加製造に関する既存の文献および実験データの体系的レビュー。
• AMプロセスにおけるレイヤーボーリング堆積の過程での熱サイクルおよび凝固ダイナミクスの分析。
• 添加製造部品における微細組織的特徴（結晶構造、柱状成長、欠陥形成）の検討。
• 処理パラメータと得られる材料特性に基づいて、EBM、LBM、DEDの異なるAM技術を比較すること。
• 出版された研究データおよび実験結果を用いた機械的および性能特性の評価。
• 知見を統合し、処理パラメータから微細組織および最終部品の性能に至る包括的な枠組みを構築すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 異なる添加製造プロセス（EBM、LBM、DED）は、ニッケル基スーパーライ合金の微細組織にどのように影響を与えるか？
• RQ2 指向性凝固および熱サイクルは、添加製造されたスーパーライ合金の結晶構造および欠陥形成にどのような影響を及えるか？
• RQ3 添加製造されたニッケル基スーパーライ合金の機械的特性は、従来の加工法で処理されたものと比べてどのように異なるか？
• RQ4 添加製造されたスーパーライ合金部品における主な性能制限要因および破壊メカニズムは何か？
• RQ5 添加製造されたニッケル基スーパーライ合金の現在および将来の航空宇宙およびエネルギーシステムにおける応用は何か？

主な発見

• 電子ビーム溶融やレーザービーム溶融などの添加製造プロセスは、高い熱勾配と急速凝固のため、細粒で柱状の結晶構造を生成する。
• レイヤーごとの堆積における複雑な熱サイクルは、残留応力および凝固微細組織内での微小偏析を引き起こす。
• 空孔や溶着不良などの欠陥は一般的であり、特に疲労強度およびクリープ耐性に顕著な影響を与える。
• 添加製造されたスーパーライ合金の微細組織は、レーザー出力、走査速度、ハッチ間隔などの処理パラメータに強く依存する。
• 課題が存在するが、添加製造されたニッケル基スーパーライ合金は競争力のある機械的特性を示し、高機能航空宇宙部品への応用が増加している。
• 直接エネルギー堆積（DED）は、大規模で複雑な部品のニアネット形状製造を可能にするが、粉末床法に比べて微細組織が粗い傾向にある。