積層造形用EOS NickelAlloy

ビームシェーピング技術による高度な処理

2025年11月3日 | 読了時間：5分

超合金は、極限環境下での性能を発揮するよう設計された金属材料の一種である。高温下でも機械的強度を維持する特性により、航空エンジン、発電所、防衛装備において不可欠な存在となっている。

AM業界で非常に需要の高い材料の一つがスーパー合金247であり、その優れた強度と高温耐性で知られている。しかし、このスーパー合金はAMにおいて以下のような特有の課題（図1参照）をもたらしている：

レーザー粉末床溶融（LPBF）加工中の微小亀裂
後処理熱処理中のマクロクラッキング

業界の強い需要にもかかわらず、合金247の積層造形は、これらの加工および後処理上の課題により長らく阻まれてきました。しかし、今その状況は変わりつつあります。当社の超合金材料ポートフォリオにEOS NickelAlloy 加わったことで、AMの可能性の限界を押し広げています。先進的な加工戦略と、当社の最先端ビーム成形技術、高度な後処理ノウハウを組み合わせることで、この高性能材料の潜在能力を最大限に引き出しています。

ビーム形状

ひび割れに敏感な合金の加工のための新たなツール

長年にわたり、合金247のような割れ発生しやすい材料の割れを低減するため、合金組成の変更や高温予熱といった複雑な機械改造など、様々な対策が模索されてきた。これらの手法はある程度の成果を上げているものの、プロセス安定性やスケーラビリティとのトレードオフが生じることが多い。次世代ビーム成形技術の導入により、生産性や部品品質を損なうことなくこれらの課題に対処する強力な新ツールが実現しました。

従来のLPBFシステムでは、単一モードレーザーは通常ガウス分布の強度分布で動作する。これにより溶融プールの動的制御が制限され、特に割れが生じやすい材料において顕著である。

ビームシェーピングにより、様々なモードで強度分布をコアガウスプロファイルからリングプロファイルまで変化させることが可能です（図2参照）。モード0（完全ガウス）からモード6（完全リング）まで、材料の種類やプロセス要件に応じて適切な強度分布を選択できます。この柔軟性により、材料と用途の特定のニーズに合わせてエネルギー入力を調整でき、従来は加工不可能とされていた合金の加工に新たな可能性を開きます。

従来のLPBFプロセスでは、標準的なガウス分布を用いた深い溶融池を形成するため、特に方位差が大きい固化前線が接する領域で微細亀裂が発生しやすい。さらに、亀裂は主に粒界で形成されるため、ガウスレーザービームプロファイルで生成される微細粒組織では高亀裂密度が生じる。これらの標準プロセスでは、クラッキングを防止するために薄い積層厚と低いレーザー出力を使用する必要がある。その結果、構築時間が過度に長くなり、不安定なプロセスとなり、不良で一貫性のない特性が生じる。ビームシェーピングにより、強度分布を変更して様々な形状の溶融池を形成できるため、より高い出力と標準的な積層厚で動作しながら、半円形または平坦な溶融池形状を維持することが可能となる。

より平坦な溶融プールは、造形方向に沿った方向性のある凝固を促進し、溶融プール中心部における方向性の異なる凝固前線の衝突を防止する。これにより、造形直後の状態において極めて低いクラック密度が得られる。さらに、溶融プールレベルでの一貫した方向性凝固により、所望の特性プロファイルに合わせた結晶粒径の調整が可能となる。例えば、クリープ特性には大きな結晶粒が好ましい一方、小さな結晶粒は高い強度や長寿命の疲労特性を提供する。完全な熱処理後、ビーム成形プロセスによるLPBF材料は、数100µmから1mmの範囲の結晶粒径を生成し得る。これはLPBFで一般的に見られる粒径よりも著しく大きい。

さらに、製造状態において欠陥率が0.04%未満の、ほぼ亀裂のない試料を製造可能である（図4参照）。残存する少数の欠陥は、後処理としてホットアイソスタティックプレス（HIP）処理により除去できる（図5参照）。

コンセプトから応用へ：EOS NickelAlloy の次なる展開

当社は、最先端のハードウェア、深い材料・プロセス技術、および微細亀裂を最小限に抑えこの高性能合金の潜在能力を最大限に引き出すためのカスタマイズされた後処理を統合することを目指しています。焦点は、EOS NickelAlloy 247の高温性能が最も重要なエネルギー、航空宇宙、防衛分野向けの中小規模部品に置かれています。技術的複雑性を考慮し、本プロセスは完全な製品としてではなく、当初はAdditive Mindsとの共同プロジェクトの一環として提供されます。

これは以下で構成されます：