要旨
アルミニウム合金製ケーシング部品は、製造中や使用中に気孔や亀裂などの欠陥が発生しやすく、部品の廃棄や資源の浪費につながる。本研究では、ZL105Aアルミニウム合金の航空宇宙部品に焦点を当て、AlSi10Mg粉末を使用して使用中に形成された気孔を修復するためにレーザクラッディング技術を使用する。プロセス・パラメータを調整し、金属組織分析を実施することで、異なる条件下でのクラッド層の気孔率を評価した。最適な加工パラメーターは、レーザー出力1.6～1.8kW、粉末供給速度0.6r/min、アルゴンガス流量4L/min、スキャン間隔1.2mm、スキャン速度600mm/minであった。修復後、部品の密度は98.18%に達した。.
はじめに
金属積層造形技術の発展に伴い、レーザクラッディングは部品の欠陥を補修するための重要な手法となっている。しかし、アルミニウム合金は、レーザーの吸収率が低く、熱伝導率が高く、酸化しやすいという特徴があり、ケーシング部品の複雑な構造や薄肉の特徴とともに、補修を困難にしている。本研究では、実際の生産ニーズに基づき、アルミニウム合金ケーシングのレーザー肉盛補修技術を探求し、主要な航空宇宙部品の再製造のための技術サポートを提供する。.
レーザークラッディング技術の最新研究
国内研究
中国におけるレーザークラッディング技術の研究は1990年代に始まり、主にプロセスパラメータの最適化、クラッディング材料の性能、装置開発に焦点が当てられていた。例えば、Liu Xiuboらは、走査速度がクラッド層の微細構造と硬度に与える影響を研究した。Wu Hongliangらは、TA2チタン合金の表面をレーザークラッドするためにNi基合金を使用し、その硬度を著しく向上させた。WangらはTi2Ni3Si/Ni3Tiクラッド層の特性について系統的な研究を行った。西安BishiやBoliteなどの国内企業は、レーザークラッディング装置を積極的に開発している。しかし、現在の装置は一般的に3000～6000Wで動作し、クラッディング深さは限られている。.
国際研究
レーザークラッディングに関する研究は、海外ではもっと早くから始まっており、材料性能や装置開発を対象としていた。例えば、Ignatらは希釈率とプロセスパラメーターの関係を分析した。Bernabeらは、Al-Si粉末をマグネシウム合金のクラッディングに使用し、高硬度と耐食性コーティングを達成した。Ocelikらは、TiB2/Ti-6Al-4Vをレーザークラッディングして摩擦特性を改善した。ベルギーのLasermach社や米国のNittany Laser社など海外の企業は、2000～6000Wの出力と最大加工深さ500mmまでの、内面へのレーザークラッディング用の装置を開発している。.
実験的方法
設備と材料
実験は、同軸粉末供給システム、5軸作業台、アルゴンガス保護システムを備えたLDM8060レーザー指向性エネルギー蒸着システムを用いて行った。使用した肉盛材料は、アトマイズ法で調製したAlSi10Mg粉末で、粒径範囲は53～105μmであり、良好な溶接性を確保した。.
プロセスパラメータ設計
いくつかのプロセスパラメーターを比較し（表1参照）、グループBとグループCのパラメーターをさらに検証するために選択した：
| パラメータ・グループ | レーザー出力 (kW) | 粉体供給速度 (r-min-¹) | アルゴンガス流量 (L・min-¹) | スキャン間隔 (mm) | スキャン速度(mm-min-¹) |
| グループB | 1.6 | 0.6 | 5 | 1.2 | 600 |
| グループC | 1.6（第1層） | 0.6 | 4 | 1.2 | 600 |
フィクスチャーデザイン
ケーシング部品の内孔を補修するため、部品の下孔と平行面を固定に使用する専用治具を設計した。この固定具は、回転中のレーザースポットのシフトが最大1.5mmであり、クラッディングの品質にわずかに影響した。.
結果と考察
クラッド層の品質分析
金属組織分析とImageJソフトウェアを使って気孔率を統計的に求めた結果は以下の通り：
グループBパラメータ:平均メルトプール深さ181.73μm、平均細孔数274.67、直径50μm以下の細孔98.58%。.
グループC パラメーター:平均メルトプール深さ961.63μm、平均細孔数188.67、直径50μm以下の細孔98.18%。.
グループCのパラメータでは、溶融池は深く、孔は著しく少なく、深い孔欠陥の修復に適している。.
実際の部品修理テスト
クラッディング試験は、アルゴンガス保護下（酸素含有量200ppm以下）と大気中で実施した。アルゴン保護下のクラッド層はより均一で緻密であったが、空気クラッドではあらかじめ凝集した粒子が現れた。補修後、切断を行ったが、芯出しのミスアライメントによりクラッド層の切断が不均一になり、治具のアライメント精度の改善が必要であることが示された。.
結論
レーザー出力1.6～1.8kW、粉末供給速度0.6r/min、アルゴンガス流量4L/min、スキャン間隔1.2mm、スキャン速度600mm/min。.
アルゴン保護下のクラッド層は優れた品質を示したが、コストは高かった。.
エアクラッディングは、より効率的で費用対効果が高いが、均一な層にはならなかった。.
実際の修理では、被覆層の完全性と加工品質を保証するために、治具のセンタリング精度を確保しなければならない。.
マイケル・シア
Michael Shea - 海外ディレクター、グローバルビジネス開発リーダー、シニアテクニカルエンジニアリングエキスパート Michael Shea は Greenstone の海外ディレクターであり、非常に多才なシニアテクニカルエンジニアリングエキスパートとして、レーザークラッディング、DED 金属積層造形、レーザークリーニング、レーザークエンチング、産業機器の近代化、高度な製造システム統合など、多分野にわたる深い専門知識とグローバルなビジネスリーダーシップを兼ね備えています。国際的な市場開発と産業技術の全面的な導入の両方で豊富な経験を持つマイケルは、Greenstoneの世界的な拡大を推進する上で重要な役割を果たすと同時に、多様な顧客のアプリケーションで卓越した技術を保証しています。彼のユニークな専門的強みは、商業戦略、エンジニアリングの専門知識、...