[論文レビュー] In situ and Operando X-ray Imaging of Directed Energy Deposition Additive Manufacturing

Yunhui Chen, Samuel J. Clark+11 more|arXiv (Cornell University)|Jun 16, 2020

Additive Manufacturing Materials and Processes被引用数 12

ひとこと要約

本研究では、イオン線およびオペランド synchrotron X線透かし撮影を用いて、ステンレス鋼（SS316）とチタニウム合金（Ti6242）の指向エネルギー堆積積層造形（DED-AM）における溶融プールのダイナミクスおよび気孔形成メカニズムの根本的な差を明らかにした。チタニウムにおいては、粉体焼結、濡れ性の低下、気孔の押し出しの3つの特徴的なメカニズムが、造形品質を著しく低下させることを特定し、これらをプロセスパラメータおよび微細組織的欠陥と直接関連づけた。

ABSTRACT

The mechanical performance of Directed Energy Deposition Additive Manufactured (DED-AM) components can be highly material dependent. Through in situ and operando synchrotron X-ray imaging we capture the underlying phenomena controlling build quality of stainless steel (SS316) and titanium alloy (Ti6242 or Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo). We reveal three mechanisms influencing the build efficiency of titanium alloys compared to stainless steel: blown powder sintering; reduced melt-pool wetting due to the sinter; and pore pushing in the melt-pool. The former two directly increase lack of fusion porosity, while the later causes end of track porosity. Each phenomenon influences the melt-pool characteristics, wetting of the substrate and hence build efficacy and undesirable microstructural feature formation. We demonstrate that porosity is related to powder characteristics, pool flow, and solidification front morphology. Our results clarify DED-AM process dynamics, illustrating why each alloy builds differently, facilitating the wider application of additive manufacturing to new materials.

研究の動機と目的

• 異なる材料における溶融プールのダイナミクスおよび欠陊形成を支配する物理的メカニズムを理解すること。
• 特に高価値合金（例：Ti6242）におけるプロセス-組織-特性関係に関する根本的知見の不足を解消すること。
• チタニウム合金がDED-AMにおいてステンレス鋼と比較して高い気孔率と低い造形効率を示す理由を明確にすること。
• 粉体特性、溶融プールの流れ、凝固前線の形状を気孔形成および微細組織の質と関連づけること。
• 実時間での在位観察現象を明らかにすることで、新規材料向けのデータ駆動型DED-AMプロセス最適化を可能とすること。

提案手法

• ダイアモンド・ライトソースの第3世代シンクロトロン源であるI12 JEEPビームラインを用い、時間分解能に優れた在位およびオペランドX線透かし撮影を実施した。
• SS316およびTi6242の両方について、産業スケールのDED-AMシステムを用い、マルチレイヤー造形中に高速（200 fps）X線画像を取得した。
• 透かし画像から溶融プールの幾何形状（長さ、深さ、体積）を測定し、SS316では体積を円形キャップとして計算、Ti6242では形状から推定した。
• 時間系列透かし画像および補助映像を用いて、粉体焼結、溶融プールの流れ、気孔の移動といった動的現象を分析した。
• 観察された溶融プール行動および欠陊形成と、レーザー出力密度、走査速度、粉体供給速度の関係を相関させた。
• 高い空間分解能および時間分解能を持つX線イメージングを用い、光学的に不透明な金属試料を透過し、リアルタイムでの一時的現象を可視化した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SS316とTi6242のDED-AMにおける溶融プール形成および進化を支配する主な物理的メカニズムは何か？
• RQ2 吹き込み粉体の焼結は、チタニウム合金のDED-AMにおける溶融プールの濡れ性および未溶着気孔にどのように影響するか？
• RQ3 終端トラック気孔の原因は何か？ また、溶融プールの流れおよび気孔ダイナミクスとどのように関連しているか？
• RQ4 粉体特性およびプロセスパラメータは、DED-AMにおける気孔形成および凝固前線の形状にどのように影響するか？
• RQ5 なぜチタニウム合金はDED-AMにおいてステンレス鋼と比較して低い造形効率と高い欠陊率を示すのか？ その背後にあるメカニズムは何か？

主な発見

• チタニウム合金（Ti6242）では、溶融プールの前後で粉体焼結が発生し、未溶着気孔の原因となるが、これはSS316では観察されない現象である。
• 焼結した粉体層による溶融プールの濡れ性の低下が、チタニウム合金の造形品質を著しく低下させ、気孔率の増加と層間結合性の低下を引き起こす。
• Ti6242の気孔は、溶融プールの対流によって積極的に押し進められ、終端トラック気孔を形成する。これはSS316では観察されない特徴的なメカニズムである。
• SS316の溶融プール体積は、試験パラメータ範囲で0.49～4.8 mm³の間で変動し、溶融プール長さと深さはそれぞれ1832–3000 µmおよび447–1187 µmの範囲を示した。
• Ti6242では、溶融プール長さが148–576 µm、深さが18–189 µmの範囲を示し、複雑な二峰性形状を呈するため、正確な体積推定が困難であった。
• SS316におけるガス気孔は、凝集粉体粒子からの捕捉によって発生し、時間系列透かし画像における気孔の流れの軌跡から明らかになった。