2021 Fiscal Year Annual Research Report

酸素を積極的に利用してメリットが重畳発現する積層造形用ステンレス鋼粉末の開発

Research Project

Project/Area Number	20H02473
Research Institution	Tohoku University
Principal Investigator	野村直之東北大学, 工学研究科, 教授 (90332519)
Project Period (FY)	2020-04-01 – 2023-03-31
Keywords	積層造形用ステンレス鋼粉末 / 粉末リサイクル / レーザ吸収 / 酸化物分散
Outline of Annual Research Achievements	本研究では、酸素が及ぼすステンレス鋼粉末特性、溶融挙動、造形性、造形体の力学特性への影響を学術的かつ系統的に明らかにすることを目的とする。令和３年度は、ガスアトマイズ法により作製したZrを添加したステンレス鋼に酸化処理を施し、粉末特性評価とレーザ積層造形を行った。粉末へのZr添加量は公称で0.2%と0.5%とし、Zrを含有しない粉末と比較を行った。酸化処理はマッフル炉を用いて大気中で行い、温度は500, 550, 600℃とした。未酸化の状態ではいずれの粉末も典型的な灰色であるが、550℃の酸化処理により茶色に変化し、Zr量の差は見られなかった。酸化試験過程における重量変化をTG-DTAを用いて調べた結果、500, 550, 600℃における重量変化は、酸化試験の温度が高いと増加することや、酸化時間が経過するにしたがって増加すること、Zrを多く含有する0.5Zrの酸化重量増加が顕著であることが分かった。回転ドラム式崩落角測定装置を用いて、それぞれの粉末の崩落角を測定した結果、酸化処理前はZr量が増大すると崩落角が上昇する傾向が見られたが、酸化処理後は崩落角の低下が見られ、Zr添加による崩落角の差は小さくなった。このことから酸化処理により粉末の流動性が向上したことが示唆される。これらの粉末をAl2O3基板上で溶融するまで昇温し接触角を測定した。その結果酸化0.5Zr粉末の接触角はZr無添加および未酸化0.5Zrよりも低い値を示すことが判明した。このことから、酸化により導入された酸素が表面張力の低下を引き起こしたものと考えられた。酸化処理を行ったZr添加粉末を用いて積層造形体の組織観察を行ったところ、造形体表面には10-20 μm程度のZrに富む酸化被膜を、造形体内部には球状の酸化物を形成させることに成功した。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 3: Progress in research has been slightly delayed. Reason 酸化処理によるZr添加ステンレス鋼の粉末特性への影響は明らかになりつつある。しかし、ステンレス鋼粉末の不足からZr添加量や酸化処理温度の最適化にはたどりついていない。造形体の表面および内部に酸化物が形成し、機械的性質への影響についても評価を進めている。
Strategy for Future Research Activity	Zr添加量および酸化処理条件を最適化したステンレス鋼粉末を用いてレーザ積層造形を行い、粉末の溶融挙動や造形、機械的性質に及ぼす酸素の影響について調べる。特に、レーザ走査時のビード幅や、溶融池における溶融挙動、酸化被膜形成や酸化物分散メカニズムについて引き続き検討する予定である。