ワイヤーの高温性能 | 株式会社ワイズワーズグループ

Scientific Reports volume 13、記事番号: 4541 (2023) この記事を引用

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高速飛行環境で使用される超合金のワイヤアーク指向性エネルギー堆積プロセスの開発において、インコネル 718 はプラズマアークプロセスを使用して堆積され、その高温性能がテストされました。堆積した材料は、堆積したままの状態と、この合金の時効硬化業界標準の熱処理後の両方でテストされました。結果は、両方の堆積条件で性能が低下することを示し、538 °C までは熱処理された材料が堆積材料よりも大幅に優れた性能を示しました。 760 ℃から 1000 ℃までの温度では、蒸着したままの材料の性能を向上させる試験中のエージングプロセスにより、性能の差はそれほど顕著ではありませんでした。堆積した材料の微細構造では、合金全体に重大な亀裂が発生し、マトリックス全体に第 2 相が形成されており、熱処理後の析出量が大幅に増加していることがわかりました。

クランフィールド大学は、指向性エネルギー堆積 (DED) 積層造形 (AM) プロセスの開発を専門としています。この研究は、ワイヤ + アーク積層造形 (WAAM) とも呼ばれるワイヤアーク DED に焦点を当てています。ここでは、ワイヤ原料 1 の堆積に電気アークが使用され、堆積速度は他のさまざまな金属 AM プロセスよりも桁違いに速くなります。

高速飛行関連の用途の多くは高温での強度を必要とするため、ニッケル基超合金やハステロイなどの特殊合金の使用が必要になります。 WAAM を使用してこれらの合金を製造すると、材料の節約とリードタイムの大幅な短縮により、従来の製造に比べて大幅なコスト削減が可能になります。さらに、プロトタイプをより迅速かつコスト効率よく製造できるため、新しい設計の開発が大幅に加速されます。この論文では、WAAM プロセスがインコネル 718 (IN718) の高温引張特性に及ぼす影響を調査します。

インコネル 718 は、時効硬化されたニッケルベースの超合金で、航空宇宙エンジンの部品に最も広く使用されている合金の 1 つです。 IN718 は高温使用向けに開発されており、高温での強度、耐クリープ性、および 650 °C2 までの良好な疲労寿命を実現するように設計されています。

ワイヤーアーク DED IN718 の室温引張特性とマクロ構造の研究は、他の合金の中でも特に James らによる以前の研究で調査されています。彼らは、堆積時（AD）時効硬化合金は、文献で記載されている鍛造強度に比べて著しく性能が低いことを発見しました3、3。 Seowらによると、ワイヤーアークDED IN718の熱処理は引張特性を改善することが示されている。は、修正熱処理を施した鍛造 UTS の 86% の室温 (RT) 引張性能を報告しました4。

ブジャンラオら。彼らは、鍛造材料と比較して WAAM IN718 の高温性能を調査し、ラーベス相の形成が WAAM 材料の性能の低下につながることを発見しました。これは、優先破壊として機能するラーベス相の脆性挙動によるものであると彼らは述べています。パス5。 Lanらの研究。また、樹枝状アームの間でのラーベス相の形成と、それと亀裂との関連も報告しています8。アルタザら。 Waam IN718 で亀裂の形成を制御する方法を調査したところ、パス間冷却戦略を使用することでラーベス相の形成が制御され、亀裂の形成が減少することがわかりました 6。

レーザー DED を使用した現場圧延を使用する場合、Li らは次のように述べています。蒸着層の機械的圧延の使用により、IN718 で形成されたラーベス相はより分散され、蒸着材料と比較してより低い体積分率で見られることを発見しました。彼らはまた、ローリングアシストレーザー DED が IN7189 の引張特性を強化することも発見しました。

WAAM プロセスが AD および高速飛行用途向けの熱処理された IN718 の高温引張特性に及ぼす影響をより詳細に理解するために、RT ～ 1000 °C でテストが実施されました。この用途では、外部構造が 1000 K (727 °C)、推進流路内のコンポーネントでは 1200 + K (927 °C) もの高温にさらされることが予想されます。

一般にワイヤ + アーク積層造形 (WAAM) として知られるワイヤアーク指向性エネルギー堆積 (DED) プロセスを使用して、直径 1.2 mm のインコネル 718 (IN718) ワイヤを堆積しました。実験セットアップには、3 軸リニア CNC システム、Migatronic 320 A AC/DC プラズマ電源、CNC システム上の調整可能なジグに取り付けられた水冷プラズマトーチ、外部ワイヤフィーダー、およびグローブボックスハウジングが含まれていました。アルゴン雰囲気は、酸素分析計を使用して酸素濃度 800 ppm 以下に制御されます。実験のセットアップを図 1 に示します。実験のセットアップは、James らの以前の研究と一貫性が保たれています。同じ合金の WAAM 蒸着について 7。

実験的な WAAM セットアップ 7.

壁構造は基板の片側に単一方向に堆積されました。堆積には次のパラメータが使用されました: アーク電流 180 A、ワイヤ送り速度 1.8 m/分、トーチ移動速度 5 mm/秒、トーチから作業距離 8 mm、そして最終的なインターバル約170℃の温度を通過後、 3分間冷却します。

堆積後、構築された WAAM 壁から試験用のサンプルが抽出され、引張試験片が製造されました。試験前に、試験片の半数に、鍛造合金に適用される業界標準に準拠した時効硬化熱処理が施されました。試験片は、970 °C で 1 時間の溶体化、その後の水冷、さらに 718 °C で 8 時間の時効処理からなるプロセスを受け、その後、サンプルは炉内で 620 °C まで冷却され、そこで保管されました。さらに8時間保持されました。時効プロセスの完了後、サンプルは空気焼入れされました。

WAAM IN718 の性能と堆積後の熱処理の効果を理解するために、引張試験片を室温 (RT)、538、760、1000 °C で、堆積直後 (AD) と熱処理 (HT) の両方でテストしました。条件。引張試験は、RT 試験については ASTM E8(M)、高温試験については E21 に準拠しました。使用した試験片の図面を図 1 および 2 に示します。すべての試験は、Instron 8801 サーボ油圧万能試験システムを使用し、塑性変形が始まるまではひずみ速度 0.005 min-1、その後はクロスヘッド速度 1.6 mm/min で実行されました。高温の試験片は、試験を開始する前に試験温度で 30 分間保持されました。 WAAM プロセスによる合金の経年変化による結果の変動を最小限に抑えるために、WAAM 壁のいくつかの場所から試験片が抽出されました。

ASTM E8M サブサイズ試験片に準拠した RT 引張試験クーポン。 X±0.5mm、XX±0.1mm。 (一定の縮尺ではありません)。

ASTM E21 の要件に準拠した、538 ～ 1000 °C で使用される高温引張クーポン。 X±0.5mm、XX±0.1mm。 (一定の縮尺ではありません)。

微細構造評価のために標本も抽出されました。サンプルは WAAM 壁から構築方向 (BD) - 厚さ方向 (TT) 断面で抽出され、取り付け、研削、研磨を連続して行うことで金属組織学的分析用に準備されました。微細構造を明らかにするために、サンプルはカリング試薬No.1を使用して10秒間スワブエッチングされました。 2. 標本は、Leica DM 2700 M Microscope を使用して光学的に観察され、TESCAN Vega 3 SEM を使用して走査型電子顕微鏡 (SEM) で観察されました。

さまざまな温度範囲での機械的性能を表 1 と図 4 に示します。結果は、鍛造状態の IN718 の文献値と並べて表示されます。文献データから予想されたように、テスト温度が上昇すると性能の低下が観察されました。 WAAM 材料のパフォーマンスは、鍛造状態に比べて遅れます。

表 1 に示すデータのグラフ表示。UTS (左)、YS (右)。 (カラー印刷)。

AD 材料は、RT および 538 °C のテストでは平均して鍛造強度の 40% にすぎませんが、760 °C でテストすると、平均性能は鍛造 UTS の 62%、YS の 74% に増加します。 760 °C の試験温度での比較性能の増加は、材料が試験中に時効温度にさらされた場合の試験中時効効果を示しています。これは、HT 試験片の結果によって確認されており、鍛造データと比較してはるかに一貫したパフォーマンスが得られます。 HT 試験片は、RT および 538 °C では鍛造 UTS の 60%、760 °C では 67% を達成します。

1000 °C で試験すると、AD 試験片と HT 試験片の違いはあまり目立たなくなり、試験全体を通して弾性率の違いは無視できます。

弾性率は約 1 です。 AD と HT の両方の試験片の鍛造材料の 86% は、Parveen と Murthy によって議論されているように、熱処理中に発生する化学組成のわずかな変化によるものと考えられています10。これは、Xu et al.11 が以前に示したように、WAAM プロセスによって引き起こされる経年変化の影響により、AD 試験片と HT 試験片の両方に当てはまる可能性があります。

AD および HT 材料の全体的な微細構造を図 5 に示します。かなりの量の亀裂が造形材料全体に観察され、熱処理後には亀裂がより深刻に見えます。

全体的な微細構造。

AD と HT の微細構造の比較を図 6 に示します。AD 条件と比較して HT 条件では視覚的に非常に多くの析出が観察されますが、これは予想外ではありません。 AD 条件では、微細構造はデンドライトで見られる析出物の鎖状の島を示し、合金が熱処理を受けると、これらの析出物はウィドマンシュテッテン - トムソンパターンで針状の析出物に囲まれているのが見られ、これはラーベスであると理解されます。針状のδ相に囲まれており、これも Xu らによって報告されています。 IN718 ではワイヤーアーク DED13 によって生成されます。顕微鏡写真に見られるように、AD 条件と HT 条件の両方でかなりの量の亀裂も観察されました。亀裂の端には、マトリックス全体で観察されたのと同じ二次相が含まれているように見えますが、熱処理すると局所的に針状相が析出します（図 7）。これらの針状相の析出は、SEM でより詳細に観察できます (図 8)。

AD および HT の微細構造。 ADが左、HTが右。

HT 状態の亀裂端の二次相。

HT 状態の二次相の SEM 像。

亀裂の端でのこれらの相の形成は、これらの相が性能に悪影響を及ぼし、凝固中に亀裂を引き起こすことを示唆しており、これが鍛造値に対して観察される性能の不足の原因であることは間違いありません。

ワイヤアーク DED を使用して生成される IN718 の構造は、時効硬化したマトリックスに有害な大きな柱状粒子で形成されていることが知られています。ジェームスら。以前の研究で、IN718 および他の合金のより広い微細構造が観察されました 3。

前に示唆したように、高温での試験により、760 °C 試験での AD サンプルの性能が向上し、AD サンプルが HT 試験片の性能を満たすため、試験中に AD サンプルが老化したと考えられています。各試験温度における AD 試験片の破断面の背後の微細構造を図 9 に示します。微細構造では、760 °C での相の析出と、1000 °C での試験後の針状相の形成がはっきりとわかります。

試験温度による経年変化の影響を示す、AD 試験試験片の破面背後の微細構造。

ワイヤーアーク DED を使用して IN718 を蒸着すると、引張性能に影響します。 AD および HT 材料は、RT ～ 538 °C の範囲でそれぞれ鍛造 UTS の 40 % と 60% を達成します。

業界標準の処理を使用して AD 材料を熱処理すると、性能は向上しますが、鍛造性能の向上にはつながりません。

AD 材料を 760 °C で試験すると、試験中の老化効果により性能が向上します。

ワイヤアーク DED は IN718 に凝固亀裂を引き起こし、亀裂の端に二次相が見られます。

現在の研究中に生成および分析されたデータセットは、進行中の研究の対象であるため一般には公開されていませんが、合理的な要求に応じて責任著者から入手できます。

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著者らは、英国国防省の財政的支援と、DSTL ポートンダウンの産業監督者であるグラハム・シンプソン氏とマシュー・ラント博士の継続的なアドバイスと指導に感謝したいと思います。

この研究は、英国国防科学技術研究所 (DSTL) から資金提供を受けました。著者には、開示すべき関連する金銭的または非金銭的利益はありません。

溶接および積層造形センター、クランフィールド大学、クランフィールド、MK43 0AL、ベッドフォードシャー、英国

ウィリアム・ショーン・ジェームス、スプリーヨ・ガングリー & ゴンサロ・パルダル

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WSJ—調査、データキュレーション、執筆（原案）、視覚化。 SG—執筆（レビューと編集）、監修、資金調達。 GP、執筆（校閲・編集）、監修。すべての著者はこの論文の出版に同意します。

ウィリアム・ショーン・ジェームスへの通信。

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James, WS、Ganguly, S. & Pardal, G. インコネル 718 で製造されたワイヤーアーク添加剤の高温性能。Sci Rep 13、4541 (2023)。 https://doi.org/10.1038/s41598-023-29026-9

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受信日: 2022 年 11 月 22 日

受理日: 2023 年 1 月 30 日

発行日: 2023 年 3 月 20 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-29026-9

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