[論文レビュー] Icosahedral quasicrystal-enhanced nucleation in Al alloys fabricated by selective laser melting

C. Galera-Rueda, M.L. Montero-Sistiaga+4 more|arXiv (Cornell University)|May 11, 2021

Additive Manufacturing Materials and Processes参考文献 48被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、ZrH2微粒子をドーピングした粉末を用いて選択的レーザー溶融（SLM）で加工されたAl7075合金において、イコサヘドロン準結晶が強化された核生成が実証された。非平衡凝固条件により、高密度のタングステン境界を有する超微細で等方性の結晶粒が形成され、五重対称性を示す。これは、従来、鋳造Al-Zn-Cr、Al-Zn-Ti、またはAu-Ir合金でのみ観察されていた、新しい核生成機構である。

ABSTRACT

Selective laser melting (SLM) is rapidly evolving to become a mainstream technology. However, the fundamental mechanisms of solidification and microstructure development inherent to the non-equilibrium conditions of this additive manufacturing method, which differ largely from those typical of conventional processing techniques, remain widely unknown. In this work, an in-depth characterization of the microstructure of Al7075 SLM processed samples, built from powder mixtures containing ZrH2 microparticles, demonstrates the occurrence of icosahedral quasicrystal-enhanced nucleation during laser fabrication. This solidification mechanism, only observed to date in cast Al-Zn and yellow gold alloys containing minute additions of Cr (Kurtuldu et al., 2013) or Ti (Chen et al. 2018), and Ir (Kurtuldu et al., 2014), is evidenced by the presence of an abnormally high fraction of twin boundaries and of five-fold orientation symmetry between twinned nearest neighbors lying within a matrix of equiaxed, randomly textured, ultrafine grains. This research attests to the wide range of possibilities offered by additive manufacturing methods for the investigation of novel physical metallurgy phenomena as well as for the design of advanced metals.

研究の動機と目的

• 選択的レーザー溶融（SLM）を用いてZrH2微粒子を添加したAl7075合金の微細構造の進化を調査すること。
• SLMに固有の非平衡状態に起因する、新しい凝固機構の同定および特徴付けを行うこと。
• イコサヘドロン準結晶がアディティブマニュファクチャリングで加工されたAl合金において、異相核生成サイトとして機能できるかどうかを特定すること。
• アディティブマニュファクチャリングが、新しい物理的金属学的現象の発見にどのように寄与できるかを検討すること。
• 準結晶の形成が、結晶粒の微細化およびタングステン境界の形成に果たす役割を評価すること。

提案手法

• ZrH2微粒子を含む粉末混合物を用いて、選択的レーザー溶融（SLM）によりAl7075試料を加工した。
• 結晶粒の形態、テクスチャー、および方位関係を分析するために、電子線バックスクattered回折（EBSD）を用いた。
• イコサヘドロン準結晶の存在を同定するために、X線回折（XRD）および透過電子顕微鏡（TEM）を用いた。
• 微細構造の特徴付けは、結晶粒マトリックス内での五重対称性および高比率のタングステン境界の検出に焦点を当てた。
• SLMに特徴的な急速加熱・冷却速度を有する非平衡状態下での凝固プロセスを分析した。
• 従来報告された鋳造Al-Zn-Cr、Al-Zn-Ti、およびAu-Ir系における準結晶強化核生成と比較することで、メカニズムの妥当性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ZrH2添加を伴うAl7075のSLM処理中にイコサヘドロン準結晶が形成され、核生成サイトとして機能するか？
• RQ2 SLM処理Al合金における準結晶強化核生成に関連する微細構造的特徴は何か？
• RQ3 準結晶の存在が、非平衡凝固状態下での結晶粒の微細化およびタングステン境界形成にどのように影響するか？
• RQ4 SLM処理Al合金におけるイコサヘドロン準結晶強化核生成メカニズムは、鋳造Al-ZnおよびAu-Ir系で観察されたものと類似しているか？
• RQ5 このメカニズムは、アディティブマニュファクチャリングを用いた先進的Alベース合金の設計にどのような意味を持つのか？

主な発見

• XRDおよびTEMにより、ZrH2微粒子を添加したAl7075のSLM処理中にイコサヘドロン準結晶が形成されたことが確認された。
• 超微細結晶粒マトリックス内に、五重対称性を示す隣接する二重結晶の最近接原子間に高比率のタングステン境界が観察された。
• 微細構造は、等方的でランダムテクスチャーを示す超微細結晶粒から構成されており、効果的な核生成サイトであることが示された。
• 特徴的な五重対称性および高密度のタングステン境界の存在により、準結晶強化核生成メカニズムが確認された。
• このメカニズムは、従来、鋳造Al-Zn-Cr、Al-Zn-Ti、およびAu-Ir合金でのみ報告されていたが、本研究ではSLM処理Al合金で初めて観察された。
• 本結果は、アディティブマニュファクチャリングが、新しい凝固メカニズムおよび微細構造的現象の発見を可能にすることを示している。