2017 Fiscal Year Research-status Report
High quality dissimilar joining using stress relaxation insert layer of porous structure with low thermal expansion fabricated by metal additive manufacturing
| Project/Area Number |
17K06097
|
|---|
| Research Institution | Kindai University |
|---|
Principal Investigator |
池庄司 敏孝 近畿大学, 次世代基盤技術研究所, 准教授 (40302939)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
|
| Keywords | 多孔質体 / 積層造形 / Ni基合金 / 造形欠陥 / 成形ろう材 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
本研究ではNi基合金とC/C複合材の高品位異材接合を達成するために応力緩和層として低熱膨張係数の多孔質体を金属３D積層造形を目的とするが，本年度は低熱膨張多孔質体の試作を目標とした．
まず，低熱膨張係数多孔質体の試験的モデルを仮想的に製作し，有限要素法（FEM）による弾塑性解析で機械的性質を調べ，また，Ni基合金IN718で粉体床型レーザー照射式3D積層造形装置（LB-PBF）にて実造形した．その結果，弾性係数，圧縮強度，見掛け破断ひずみの値がFEM予測値よりも低くなった[1]．この差異は多孔質体モデルは梁と薄板で構成されていたが，実造形物では梁，薄板の表面が粗く，貫通穴状欠陥すら観察されほど材質が粗悪なためと考えらえた．そのため，薄物造形物を無欠陥で作製する条件を見出す必要に迫られた．
そこでIN718の薄物造形試験を実施した．その結果，薄物では従来造形条件よりも低入熱の条件にする必要が判明した．この結果はIN718のみならず，Ni基成形ろう材製作にも援用できる[2]．
1) 池庄司敏孝, 米原牧子, 中村和也, 京極秀樹, “３Ｄ積層造形インサート材を挿入したC/C複合材／Ni基合金ろう付継手の応力解析,” 溶接学会全国大会講演概要, 2017f (2017)
2) Toshi-Taka Ikeshoji, Makiko Yonehara, Kazuhiro Nakamura, Hideki Kyogoku, “Fabrication of Ni-alloy Metal Sheet by Laser Powder Bed Fusion,” Proceedings of International Brazing & Soldering Conference(IBSC) 2018, New Orleans (2018)
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
平成29年度予定は，試験的に多孔質体を作製し接合試験を行い，その結果を次年度の高品位接合を達成するための多孔質体作製に繋げることだった．具体的には，Ni基超合金IN718粉末でLB-PBFを用いて多孔質体の造形を試み，多孔質体の形状精度を明らかにし，また，多孔質体の熱膨張係数を測定すること，また，C/C複合材と接合試験することであった．
現状はIN718多孔質体を製作し，寸法測定，機械的性質測定は行った結果，多孔質体作製のための造形条件が従来のバルク体作製のための造形条件とは異なることが判明したため，造形条件の再探索を行った．そのため，熱膨張係数測定，接合試験は未達成である．
1) IN718実造形多孔質体製作条件見直し 低熱膨張係数多孔質体を実造形したところ，造形モデルの梁，薄板部分の表面が粗く，貫通穴状欠陥すら観察されほど材質が粗悪であったため，薄物造形物を無欠陥で作製する条件を見出す必要に迫られた．薄板上造形物に対するレーザ照射条件の探索を行い，融合欠陥のない条件を見出すことができた．
2) 実造形多孔質体の異方性 低熱膨張係数多孔質体は当初より接合界面の面内（xy方向）と接合界面垂直方向（z方向）では異なる熱膨張係数を持つようにする予定だったが，実造形物の造形方向（積層面に対する造形モデルの角度）を変更したところxy方向でも異なる機械的性質を示す結果を得た．そのため，造形方向と機械的性質の関係を明らかにする必要性が生じた．
3) 熱膨張係数測定 熱膨張係数測定は外部機関に依頼するため，試験片モデルの検討を慎重行う必要があるが，(1)，(2)の原因により熱膨張係数測定用試験片の作成が遅れている．
|
| Strategy for Future Research Activity |
平成29年度では，試験的な多孔質体の作製結果を受けて多孔質体作製のための造形条件の再探索を行った．その結果，多孔質体作製のための融合欠陥のないレーザ照射条件が明らかになったが，一方，造形方向による機械的性質の異方性の問題が明らかになった．高品位接合達成のための多孔質体の作成においては平成29年度に探索したレーザ照射条件を用い，異方性に関しては接合界面を造形積層面と同一にすることで対処する． 平成30年度には，試験的な多孔質体の熱膨張係数測定，接合試験は省略し，(1)高品位接合達成のための多孔質体の検討と実造形を行い，(2)熱膨張測定試験と(3)接合試験を行う．ただし，(4)予備的に実造形多孔質体を挿入したIN718とC/C複合材の接合試験を行い，接合界面でのろう材の挙動と界面金属微細組織の検討を行う．
(1) 多孔質体の検討 低熱膨張係数多孔質体は2次元形状を押し出した3次元形状でxy方向に等方な熱膨張係数と機械的性質を持つよう形状最適化法を用いて検討する．また，均質化法により面内と面外の異方性をモデル化して接合部の残留応力解析を行う．
(2) 熱膨張測定試験 熱膨張測定試験は接合温度が1200℃なので室温～1200℃の範囲で行う．同様な温度範囲で3点曲げ試験により多孔質体の機械的性質も明らかにする．
(3) IN718とC/C複合材の接合試験 多孔質体をIN718角材とC/C複合材角材に挿入しNi-Cr-Nb系ろう材で接合する．接合後，引張破断試験と，接合部界面の金属微細組織観察を行う．
(4) 予備的ろう付試験 (1)～(3)と並行してIN718／多孔質体／C/C複合材の接合をNi-Cr-Nbろう材で行う．ろう材が界面にとどまるか多孔質体に吸収されるかの挙動を見極めるとともに，接合部界面の金属微細組織観察を行う．
|
| Causes of Carryover |
計画段階では真空加熱炉整備として1,100,000円を計上したが執行を見合わせた．これは多孔質体を実造形したところ，表面形状が粗く，貫通穴状欠陥すら観察されほど材質が粗悪であったため，造形条件の再検討が必要となり，接合試験を次年度に延期した．
|
