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雑誌「Additive Manufacturing Letters」に掲載された最近の記事では、研究者らが積層造形における粉末の寿命を延ばすための化学エッチングされたステンレス鋼スパッタの有用性について論じています。
研究: 積層造形における粉末寿命の延長: ステンレス鋼スパッタの化学エッチング。画像クレジット: MarinaGrigorivna/Shutterstock.com
金属レーザー粉末床融合 (LPBF) スプラッシュ粒子は、溶融池から放出される溶融液滴、またはレーザー ビームを通過するときに融点付近または融点以上に加熱された粉末粒子によって生成されます。
不活性環境を使用しているにもかかわらず、溶融温度付近での金属の高い反応性により酸化が促進されます。LPBF中に放出されたスパッタ粒子は表面で少なくとも一時的に溶融しますが、揮発性元素の表面への拡散が起こりやすく、酸素との親和性が高いこれらの元素は厚い酸化物層を生成します。
通常、LPBFではガスアトマイズ法に比べて酸素分圧が高いため、酸素と結合する可能性が高くなります。
ステンレス鋼およびニッケル基合金のスパッタは急速に酸化し、最大数メートルの厚さの島を形成することが知られています。さらに、島型酸化物スパッタを生成するステンレス鋼およびニッケル基合金は、LPBF でより一般的に機械加工される材料であり、この方法をより一般的な LPBF 金属スパッタに適用して、化学的更新が通常の方法でパウダーにとって重要であることを実証します。
(a) ステンレス鋼スパッタ粒子の SEM 画像、(b) 熱化学エッチングの実験方法、(c) 脱酸素スパッタ粒子の LPBF 処理。画像クレジット: Murray, J. W, et al、Additive Manufacturing Letters
この研究で、著者らは、酸化ステンレス鋼スプラッシュパウダーの表面から酸化物を除去するために新しい化学エッチング技術を採用した。粉末上の酸化物アイランドの周囲および下の金属溶解が酸化物除去の主なメカニズムとして使用され、これにより、より積極的な酸化物除去が可能となる。スプラッシュパウダー、エッチングパウダー、およびバージンパウダーは、LPBF処理用に同じ粉末サイズ範囲にふるいにかけられた。
研究チームは、ステンレス鋼のスパッタ粒子、特に化学技術を使用して単離され、粉末表面に Si および Mn に富む酸化物島を形成した粒子から酸化物を除去する方法を示しました。LPBF プリントの粉末床から 316L のスパッタを収集し、浸漬によって化学エッチングしました。すべての粒子を同じサイズ範囲に選別した後、LPBF は、最適化されたエッチングされたスパッタと未使用のステンレス鋼を使用して単一パスに処理します。
研究者らは、温度と 2 つの異なるステンレス鋼エッチング液を調べました。同じサイズ範囲にスクリーニングした後、同様のバージン パウダー、スプラッシュ パウダー、および効率的にエッチングされたスプラッシュ パウダーを使用して LPBF シングル トラックを作成しました。
スパッタ、エッチング スパッタ、および元の粉末から生成された個々の LPBF トレース。高倍率画像は、スパッタ トラック上に広がっていた酸化物層が、エッチングされたスパッタ トラック上で除去されていることを示しています。元の粉末には、一部の酸化物がまだ存在していることが示されています。画像クレジット: Murray, J. W, et al、Additive Manufacturing Letters
ラルフ試薬を水浴中で 65 °C に 1 時間加熱した後、316L ステンレス鋼スプラッシュ パウダー上の酸化物領域の被覆率は 10 分の 1 に減少し、7% から 0.7% に減少しました。広い領域をマッピングした EDX データは、酸素レベルが 13.5% から 4.5% に減少したことを示しました。
エッチングされたスパッタは、スパッタと比較して、トラック表面の酸化スラグのコーティングが少なくなります。さらに、粉末の化学エッチングにより、トラック上の粉末の同化が増加します。化学エッチングは、広く使用されている耐食性のステンレス鋼粉末から作られたスパッタまたは大量使用粉末の再利用性と耐久性を向上させる可能性があります。
45 ～ 63 µm のふるいサイズ範囲全体にわたって、エッチングされたスパッタ粉末とエッチングされていないスパッタ粉末に残っている凝集粒子は、元の粉末の体積が約 50% 大きいのに、エッチングされた粉末とスパッタされた粉末の微量の体積が同じである理由を説明しています。凝集した粉末またはサテライトを形成する粉末は、かさ密度、ひいては体積に影響を与えることが観察されました。
エッチングされたスパッタは、スパッタと比較して、トラック表面上の酸化物スラグのコーティングが少ないです。酸化物が化学的に除去されると、半結合および裸の粉末は、還元された酸化物のより良い結合の証拠を示し、これはより良い濡れ性に起因すると考えられます。
ステンレス鋼システムでスプラッシュ パウダーから酸化物を化学的に除去する場合の LPBF 処理の利点を示す概略図。酸化物を除去することで優れた濡れ性が実現します。画像クレジット: Murray, J. W, et al、Additive Manufacturing Letters
要約すると、この研究では、化学エッチング手順を使用して、塩化第二鉄と塩化第二銅の塩酸溶液であるラルフ試薬に浸漬することにより、高度に酸化したステンレス鋼のスパッタ粉末を化学的に再生しました。加熱したラルフのエッチング液に 1 時間浸漬すると、飛散した粉末上の酸化物面積被覆率が 10 分の 1 に減少することが観察されました。
著者らは、化学エッチングが改善され、再利用された複数のスパッタ粒子またはLPBF粉末を再生するために広範囲に使用される可能性があり、それによって高価な粉末ベースの材料の価値が高まると考えています。
Murray, JW、Speidel, A.、Spierings, A. 他。積層造形における粉末寿命の延長: ステンレス鋼スパッタの化学エッチング。積層造形レターズ 100057 (2022)。https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2772369022000317
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Surbhi Jain は、インドのデリーを拠点とするフリーランスのテクニカル ライターです。彼女は博士号を持っています。デリー大学で物理学の博士号を取得し、多くの科学、文化、スポーツの活動に参加しました。彼女の学歴は材料科学の研究で、光学デバイスとセンサーの開発を専門としています。彼女はコンテンツの執筆、編集、実験データ分析、プロジェクト管理に豊富な経験があり、Scopus のインデックス付きジャーナルに 7 件の研究論文を発表し、研究成果に基づいて 2 件のインド特許を申請しています。読書、執筆、研究、テクノロジーに興味があり、料理、演技、ガーデニング、スポーツを楽しんでいます。
ジャイナ教、スビ。(2022 年 5 月 24 日)。新しい化学エッチング法により、酸化ステンレス鋼のスプラッシュ パウダーから酸化物が除去されます。AZOM。2022 年 7 月 21 日、https://www.azom.com/news.aspx?newsID=59143 より取得。
ジャイナ教、スビ. 「酸化ステンレス鋼スパッタ粉から酸化物を除去する新しい化学エッチング法」.AZOM. 2022年7月21日..
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