2020 Fiscal Year Research-status Report
時間・空間を制御したパルスレーザによる低歪かつスパッタレス金属積層造形技術の開発
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19K05079
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
佐藤 雄二 大阪大学, 接合科学研究所, 准教授 (40422547)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | SLM / チタン / 変調パルス / 材料組織 / 入熱制御 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
レーザ金属積層造形法（SLM法）は、レーザを照射して金属粉末を溶融・凝固して一層毎に2次元形状を作り、これを繰り返し積み上げて3D 形状を形成する手法である。一般に熱源となるレーザには、高出力かつビーム品質が高く、光ファイバでレーザ光を伝送できるYbファイバレーザが採用されている。しかし、従来のSLM法では粉末を溶融させる以上の過剰なエネルギーを投入して、粉末だけでなく下層を一緒に溶融させて造形していた。これでは、エネルギー効率が悪いだけでなく、熱歪みの発生、造形物の金属組織が不均一などの起因となっていた。そこで本研究では、変調パルスレーザを用いて、入熱量を精密に制御してチタン合金（Ti64）の造形を行った。Ti64粉末をパウダーフィーダーに供給し、真空チャンバを減圧する。造形ステージであるベースプレートを積層ピッチ分下降させ、Ti64粉末をリコータで供給し、50μm厚さに粉末を敷き均した。レーザはガルバノミラーに導光し、真空チャンバ内の造形ステージに集光レンズを用いて掃引照射した。レーザの掃引方法には、リニアラスタースキャン方式を採用し、試験片を造形した。実験パラメータとして、パルス１周期におけるレーザ照射時間の割合(Duty比)を10%、ピーク出力は280Wと一定とし、レーザの周波数を100～1000Hzとした。造形後の試料を切断し、樹脂埋め研磨後、結晶粒径および硬度測定を行った。その結果、レーザの周波数が高いほど結晶粒径が小さくなり，硬度が大きくなった。ここで鋳造加工した純Ti合金およびTi64合金と比較したところ、CWレーザで造形した試料の硬度は、165HVと純Ti合金の160HVに同等の値となり、変調パルスを用いたサンプルは、平均300HVと、鋳造したTi64合金の310HVに同等の値となり、レーザの入熱制御によって材料組織の制御が可能となることが示唆された。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究課題では、空間的・時間的に制御したレーザを用いて、材料組織を制御可能、かつ欠陥の少ないレーザ金属積層造形技術を開発することを目的とする。前年度は、材料には、工業的にも応用範囲の広いチタン合金（Ｔｉ６４）粉末に対し、変調パルスレーザを用いて入熱量を時間的制御し、作製した造形物の結晶粒への影響を観察した。特に、変調パルスレーザとCWレーザをそれぞれ用いて単層の造形を行い、サンプル断面の結晶粒径を比較した結果、変調パルスを用いた造形物では結晶粒径の微細化が小さくなる傾向があることがわかった。入熱量が多いＣＷレーザの場合には、α相が支配的なＴｉ64であるのに対し、変調パルスを用いるとα+β組織となり、β相が現れると同時に硬度も上昇した。さらに、変調パルスの周波数を変化させて造形を行うと、周波数が大きくなるにしたがって、結晶粒が小さくなることがわかり、変調パルスレーザを用いた入熱制御によって、造形物の結晶粒径および組織を制御できることが示唆された。本成果は、国際学術雑誌Journal of Laser Applicationｓに論文を投稿し、掲載された。
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| Strategy for Future Research Activity |
SLMで造形したサンプルは、鋳造や切削加工を行った製品と比較して、造形物の精度や密度が低く、機械的特性が劣る。しかも、造形物の金属組織が不均一であるため、構造材への適用が難しい。特に金属の溶融・凝固層を積層していくため、熱歪みが大きい。この歪みは、寸法精度や造形物の品質に直接影響を与える。そこで本研究課題では、SLM法におスパッタの発生要因や熱歪みを抑制するプロセスパラメータを明らかにする事が学術的な問いである。
そこで今年度は、変調パルスレーザを用いてチタン合金（Ｔｉ６４）の積層造形を行い、造形物の結晶粒の均一性および欠陥に対する影響を明らかにし、低歪・スパッタレスを実現するレーザ金属積層造形法を開発する。微視的観察として、変調パルスを用いたときのTi64粉末の溶融凝固過程を高速度ビデオカメラを用いて、微視的にリアルタイム観察し、スパッタや溶接欠陥発生因子を特定する。
さらに、巨視的評価として、変調パルスパルスレーザを用いて20層以上の3D造形サンプルを造形し、レーザ入熱量が結晶粒径の均一性評価および材料組織の評価を行う。積層造形によって造形物に空孔や溶接欠陥が生じることが予想されるので、レーザ入熱量が空孔や溶接欠陥に及ぼす影響を明らかにするとともに、3D造形物の熱歪み、寸法精度、金属組織観察を行い、低歪・スパッタレスを実現するレーザ金属積層造形法を開発する。
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