Diode Area Melting of Ti6Al4V: Effects of Multi-Laser Processing on Microstructure and Residual Stress

技術要約：Ti6Al4Vのダイオード・エリア・メルティング — 多レーザー加工が微細構造および残留応力に及ぼす影響

問題提起
レーザー粉末床溶融結合法（LPBF）は、金属部品の積層造形における主要な技術であるが、急峻な温度勾配と高い残留応力を生成する急速な熱サイクルによって制約を受けている。これらの条件は、Ti6Al4Vのような部品において、反り、亀裂、および寸法不安定性を引き起こす原因となる。LPBFは強度に有利な微細構造を生成する一方で、それに伴う熱履歴が凝固挙動の制御を制限している。ダイオード・エリア・メルティング（DAM）は、単一の高出力ファイバーレーザーをガルバノスキャナで反射させる手法ではなく、低出力ダイオードレーザー（808 nm）のアレイを利用する新しい代替手法として浮上している。これまでの研究では、様々な金属に対するDAMの実現可能性や冷却速度を低下させる潜在能力が示されているが、多レーザーの相互作用が、Ti6Al4Vの熱浸透、凝固挙動、および残留応力の発生にどのように具体的に影響するかについての理解は依然として限られている。

方法論
本研究では、最大100本の低出力ダイオードレーザーを統合可能なギャントリーベースの光学ヘッドを備えた、シェフィールド大学で開発されたカスタムDAMシステムを使用した。本調査では、3本、4本、および5本の整列したダイオードレーザー（波長808 nm、レーザーあたり5 W）を用いて、単層のTi6Al4Vサンプルを作製した。実験設計では、ハッチ間隔を200 µm、粉末床の厚さを1 mmに一定に保ちながら、起動するレーザー数と走査速度（100、150、200、および250 mm/min）を系統的に変化させた。

キャラクタリゼーション手法には以下が含まれる：

• 表面解析： 3Dプロフィロメトリによる表面粗さ（$R_a$）の測定。
• 微細構造解析： 溶融池の形状に関する光学顕微鏡（OM）および走査電子顕微鏡（SEM）、結晶粒構造、相同定、および$\alpha$ラース間隔のための電子背後散乱回折（EBSD）、ならびに相構成のためのX線回折（XRD）。
• 残留応力解析： $\sin^2\psi$法を用いたXRDによる、走査方向（$\sigma_{xx}$）および垂直方向（$\sigma_{yy}$）の両方における近表面残留応力の測定。
• シミュレーション： 特定の加工条件下での冷却速度を推定するための、FLOW-3D™ソフトウェアを用いた数値流体力学（CFD）。

主な結果

1. 表面形態： DAMプロセスは、典型的な製作状態のLPBF Ti6Al4V（通常$R_a$は10–15 µm）と比較して、著しく滑らかな表面を生成した。5レーザー構成は、隣接する溶融トラック間のオーバーラップ比（約45.9%）が高く、これが部分的な再溶融を促進し、ボーリング現象を抑制したため、最も滑らかな表面（$R_a$ = 1.2–1.3 µm）をもたらした。対照的に、3レーザー構成は、低いオーバーラップと熱的不連続性により、より粗い表面（$R_a$ = 5.4–6.6 µm）となった。
2. 溶融池と熱浸透： レーザー数の増加に伴い、溶融池の深さと熱影響部（HAZ）の深さの両方が増大した。5レーザー構成かつ100 mm/minの条件では、溶融池の深さは約108 µm、HAZの深さは約475 µmに達した。走査速度が高くなると熱浸透が減少し、溶融池は浅くなり、不安定性が増した。
3. 微細構造と相： DAMプロセスは、LPBF（通常<0.5 µm）と比較して、より粗い$\alpha$ラース構造（0.8–1.3 µm）をもたらした。この粗大化は、DAMで観察された著しく低い冷却速度に関連している。極めて重要な点として、4および5レーザーの試料、特に低走査速度において、検出可能な$\beta$相の保持が観察された。これは、急速な冷却が$\beta$相の保持を抑制し、マルテンサイト的$\alpha'$相を優先させるLPBFとは対照的である。$\beta$相の存在は、拡散制御型の変態を可能にする緩やかな冷却速度に起因するとされた。
4. 冷却速度： シミュレーションされた冷却速度は2,211 K/sから8,400 K/sの範囲であり、これはLPBFに典型的な$10^4$–$10^7$ K/sよりも大幅に低い。冷却速度は、レーザー数の増加（熱蓄積による）に伴って減少し、走査速度の増加に伴って上昇した。
5. 残留応力： DAMサンプルにおける残留引張応力は、報告されているLPBFの値よりも著しく低かった。測定された最大引張応力は、3レーザー、250 mm/minの条件における138.2 MPaであり、LPBFの値が688 MPaを超えることがあるのと比較して低い。応力レベルは、レーザー数が増えるにつれて減少し（5レーザーサンプルが最低の応力を示した）、走査速度が増すにつれて上昇した。応力の異方性はLPBFの傾向に従い、$\sigma_{xx}$（走査方向）は一貫して$\sigma_{yy}$よりも高かった。

意義と主張
著者らは、DAMプロセスがTi6Al4V部品の凝固挙動および応力進化の制御を向上させることを主張している。複数の低出力ダイオードレーザーを用いることで、DAMは大幅に低い冷却速度を達成し、これにより、LPBFに典型的なマルテンサイト構造とは異なる、より粗い$\alpha$ラースの形成と$\beta$相の保持を促進する。

本研究は、これらの低い冷却速度が、残留引張応力を大幅に低減させる主要なメカニズムであると仮定している。緩やかな熱サイクルにより、高温下での塑性変形による応力緩和が可能となり、LPBFの部品でしばしば見られる反りや亀裂を引き起こす高い残留応力を軽減できる。さらに、改善された表面仕上げと低減された応力レベルは、DAMが疲労亀裂の発生を抑制することで、部品の耐用年数を延ばす可能性があることを示唆している。

著者らは、現在の知見は、層間熱サイクルによる応力蓄積が最小限に抑えられる単層試料に限定されていることを指摘し、控えめな範囲設定を行っている。彼らは、DAMプロセスが信頼性の高い製造において有望であることを示す一方で、バルク部品製造における累積的な熱効果を完全に理解するためには、今後の研究を多層試料へと拡張する必要があると結論付けている。