熱伝導解析と連携したマルチフェーズフィールド法によるデポジション方式積層造形プロセスの凝固組織形成解析

摘要

一般には3D プリンターとも呼ばれている金属積層造形は，プロトタイピングや金型作成法として活用が進んでいるが，近年は少量多品種での製造プロセスとしても注目を集めている．金属積層造形は大別して2種類あるが，金属粉末を送り出し，レーザーで溶融させて所定の場所に積層・凝固して造形するデポジション方式 (Directed Energy Deposition, DED) は，粉床を溶融・凝固させて造形するパウダーベッド方式 (Powder Bed Fusion, PBF) と比べ，高速造形が可能であり，大型造形物の製造手法として期待される．DEDで一度に積層される溶融金属は微量であり，この過程は大きな温度勾配と速い冷却速度で凝固する強い非平衡過程であると考えられる．しかし，最近の組織観察実験では柱状晶－等軸晶遷移が観測されている(1)．これは局所平衡を仮定する組成的過冷却に基づく古典的な凝固理論が適用できる可能性を示唆している．本研究では，Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si を対象に， DEDの積層造形プロセスを模擬して作成した温度履歴を用いて，熱力学データベースと連携したマルチフェーズフィールド法による凝固解析を行った．また，計算結果から得られる温度勾配と凝固速度を用いて凝固マップを作成し，計算による凝固マップ作成の可能性を確認した．