DED（直接電気放電）は新興の付加製造技術として、高効率、低コスト、大規模成形能力により、Inconel 625合金の製造において特異な利点を示してきました。しかし、従来のDEDプロセスは、明確な<001>配向を持つ柱状結晶構造を形成する傾向があり、材料に理想的な強度と延性の両方を達成することが難しいという課題があります。
I. 研究背景および意義
最近の研究では、線エネルギー密度（LED）を増加させることで、柱状晶粒をほぼ等軸晶粒に変化させることにより、Inconel 625 合金の性能を効果的に改善することができることが分かっています。しかし、プリントパス切替の役割における具体的なメカニズムは依然として明確ではありません。さらに、付加製造における特異な層間界面特性は、特に高温において材料の機械的特性に大きな影響を与え、界面におけるひずみ集中や早期破損を引き起こす可能性があります。したがって、 異なる温度における層間界面の影響メカニズムを調査することは、プロセスの最適化および材料性能の向上において極めて重要です .
上記の研究背景に基づき EnigmaはTechnology andのチームと共同で取り組みました。 ポルトガルのノバ・リスボア大学 との協力により、最新の研究成果を Materials Research Letters に発表しました。タイトルは「 機械的特性の向上と変形メカニズム 印刷パス切替によるDED Inconel 625の製造 、印刷パス設計が材料の微細構造および機械的特性に与える影響を体系的に検討する。
出典 [1]
II. 実験方法
本研究では、Cold Metal Transfer（CMT）DED技術を用いて、70％Ar＋30％Heの混合ガスによる保護雰囲気下でInconel 625合金のサンプルを製造しました。実験結果の信頼性を確保するため、研究チームは主要な工程パラメータを最適化しました：電流116A、ワイヤ送給速度4.6m／分、線エネルギー密度140J／mm。 層間90°回転パス戦略を採用し、直径50 mm、長さ100 mmの円柱状試験片を作製しました。
出典 [1]
材料特性を包括的に評価するために、マルチスケール分析手法を採用しました : XRD、OM、SEM-EBSD、およびTEMシステムを使用して微細構造の進化を分析した。機械的特性は、室温および高温（400〜850°C）でのマイクロ硬度試験および引張試験によって評価した。
III. 結果と考察
3.1 微細構造特性
微細構造分析によりプリントパス設計の大きな影響が確認された。従来の0°パスサンプルと比較して、90°パス切替を使用して作製したサンプルは、独自の準等方性結晶特性を示した：平均粒径長さは527 ± 5 μm、幅は172 ± 7 μm（アスペクト比3.06）、層界面には微細組織領域（37 ± 2 μm）が形成された。XRD分析により、これらのサンプルが単相の面心立方構造を持つことを確認した。
出典 [1]
研究により以下のことが確認されている 高LEDとパス切替を組み合わせることで、溶融池の温度勾配を効果的に低減し、柱状結晶のエピタキシ成長を抑制し、再溶融深さを増加させ、新しい核生成サイトを提供することにより等軸結晶の形成を促進し、材料の微細構造を最適化することができます このプロセスの組み合わせは、柱状晶から等軸晶への転換を実現するための有効な手段を提供します。
3.2 室温における機械的特性
室温での機械的特性試験の結果は以下の通りです 90°の印刷パスを使用して作製したInconel 625サンプルは優れた強度延性バランスを示しており、降伏強度は401 ± 12 MPa、引張強度は724 ± 5 MPa、伸びは57 ± 5%です .この材料は典型的な3段階の仕事硬化挙動を示し、特に8～25％のひずみ範囲で優れた仕事硬化能力を発揮し、41.3GPa*%の高い延性強度積を実現しており、既存の熱間圧延合金（32.1GPa*%）と比較して著しく性能向上しています。
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組織観察の結果、近等軸粒状のサンプルはより大きな結晶粒径（232±16μm vs 熱間圧延サンプル＜130μm）を持っており、その優れた特性は主に次の2つの要因に起因していることが分かりました： 第一に、転位強化が果たす重要な役割、そして第二に、特異な変形メカニズムです。 顕微鏡観察により、変形時に高密度転位壁および転位ロックス構造が形成されることが明らかになりました。 これらの微細構造的特徴により、転位移動が効果的に阻止され、材料の強度が増加します。 さらに重要なことに、層間界面においては応力集中が確認されませんでした。 破壊は常に粒界内で発生し、プリントパスによって形成されたインターフェースが材料性能に影響を与えないことを確認した この特異な転位運動と完全な界面が共に、材料の優れた総合特性をもたらしている。
3.3 高温機械的特性
高温機械的特性試験により、準等方性Inconel 625合金の優れた高温適応性が明らかになった。 研究によれば、400–850°Cという広い温度範囲内で、この材料の強度特性は従来の鋳造合金のそれを一貫して上回っている。 特筆すべきは、その伸び率が700°C以下でも高いレベルを維持しており、700°Cを超えた後でようやく僅かな低下が見られることです。破壊面の観察により、本研究は温度依存的な破壊挙動の明確な遷移を確認しました。600°Cでは、破断面には典型的な粒界延性破壊の特徴が現れ、浅い延性ディンプルが均等に分布していました。750°Cから800°Cの間では、破壊モードは粒界破壊へと遷移し、明確な脆性破壊の特徴を示しました。そして、温度が850°Cに達すると、破断面には延性ディンプルと脆性破壊面の両方が混在する混合型破壊の特徴が現れました。
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結論
本研究は、印刷パス設計がInconel 625合金の微細構造および特性に与える重要影響を明らかにしています。高エネルギー入力と層間で90°の回転を組み合わせた印刷戦略を採用することにより、従来の柱状晶構造を均一なほぼ等軸晶構造に変換することに成功しました。 高度な微細構造分析技術により、この独特な構造が変形時に特異な転位運動を示すことが見出されました。平面すべりが生じるだけでなく、高密度の転位壁や特殊な転位ロック構造も形成されるのです。 これらの微細構造メカニズムの相乗的相互作用により、材料は優れた強度と延性の両方を備えるようになります。
特に印刷中に形成される層間微細粒度域は性能を低下させるどころか、むしろそれを向上させていることが明らかになりました。 テスト結果から、この最適化されたほぼ等軸の結晶構造は、室温から高温までの広い温度範囲で優れた機械的特性を示すことが示されています。 この発見は、航空宇宙をはじめとする分野で用いられる高機能部品の高性能付加製造プロセスに新たな知見を提供し、幅広い応用可能性を示しています。
論文リンク：
[1] https://doi.org/10.1080/21663831.2025.2476174
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