[論文レビュー] Harnessing metastability for grain size control in multiprincipal element alloys during additive manufacturing

Akane Wakai, Jenniffer Bustillos+5 more|arXiv (Cornell University)|May 6, 2024

Additive Manufacturing Materials and Processes被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、FeMnCoCr多要素合金（MPEAs）における添加造形のための新しい合金設計戦略を提示する。マンガン含有量の増加によって誘発される準安定性を活用し、柱状粒組織の成長を抑制し、顕著な粒径微細化を達成する。組成による相安定性の調整により、凝固工学的手法を用いた正確な微細組織制御が可能となり、AMで製造されたMPEAsにおける粒径のカスタマイズ可能な道筋を示している。

ABSTRACT

Controlling microstructure in fusion-based metal additive manufacturing (AM) remains a challenge due to numerous parameters directly impacting solidification conditions. Multiprincipal element alloys (MPEAs) offer a vast compositional design space for microstructural engineering due to their chemical complexity and exceptional properties. Here, we establish a novel alloy design paradigm in MPEAs for AM using the FeMnCoCr system. By exploiting the decreasing phase stability with increasing Mn content, we achieve notable grain refinement and breakdown of columnar grain growth. We combine thermodynamic modeling, operando synchrotron X-ray diffraction, multiscale microstructural characterization, and mechanical testing to gain insight into the solidification physics and its ramifications on the resulting microstructure. This work paves way for tailoring grain sizes through targeted manipulation of phase stability, thereby advancing microstructure control in AM.

研究の動機と目的

• 複雑な合金の融合ベースの添加造形における微細組織制御という、長年の課題に取り組むこと。
• 組成の複雑さが、多要素合金（MPEAs）における凝固挙動と粒組織に与える影響を調査すること。
• 制御されたマンガン含有量の変化を活用して準安定性を活用することで、MPEAsにおける粒径工学の新しい設計パラダイムを確立すること。
• in situおよびマルチスケールの特性評価を用いて、AM処理されたMPEAsにおける熱力学的安定性、凝固ダイナミクス、および最終的な微細組織の関連を明確にすること。

提案手法

• FeMnCoCr MPEAsにおける異なるマンガン含有量の範囲で相安定性の傾向を予測するための熱力学的モデリングを実施する。
• レーザー溶融中にin situシンチロトロンX線回折を実施し、凝固挙動と相の進化をリアルタイムで捉える。
• 電子バックストリート回折、電子顕微鏡法などのマルチスケール微細組織評価を実施し、粒の形態および織を分析する。
• 機械的試験を統合し、微細組織と機械的応答の相関関係を評価し、性能結果の妥当性を検証する。
• 相安定性を調整するためにマンガン含有量を体系的に変化させ、核生成および粒成長動力学に与える影響を評価する。
• 実験的観察と熱力学的予測を照合し、AM-MPEAsにおける粒径制御のための設計則を確立する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 添加造形中のFeMnCoCr MPEAsにおいて、マンガン含有量の増加が相安定性および凝固挙動にどのように影響するか？
• RQ2 準安定相の形成を活用することで、柱状粒組織の成長を抑制し、等軸粒組織の核生成を促進できるか？
• RQ3 AM処理条件下における相安定性の傾向と微細組織の進化の関係は何か？
• RQ4 Mn含有量の組成調整によって、どれほど粒径をカスタマイズできるか？
• RQ5 in situ観察で得られた凝固ダイナミクスと、最終的な微細組織および粒の形態の相関関係は何か？

主な発見

• FeMnCoCr MPEAsにおけるマンガン含有量の増加は、相安定性を低下させ、凝固中に準安定相の形成を促進する。
• 準安定相への遷移が、柱状粒組織の成長を抑制し、顕著な粒径微細化をもたらす。
• in situシンチロトロンX線回折により、準安定相の核生成が凝固の過程で急速に発生し、粒径微細化と一致することが明らかになった。
• 微細組織分析により、マンガン含有量が高いほど柱状粒組織から等軸粒組織に移行していることが確認され、核生成の有効な促進が示された。
• 機械的試験により、微細粒組織では強度と延性の両方が向上しており、本手法の性能利点が裏付けられた。
• 本研究では、Mn含有量の組成調整とAMで製造されたMPEAsにおける制御可能な粒径の間の直接的な関連が確立された。