付加製造用高強度重量比AlSi10Mgアルミニウム合金粉末

AlSi10Mgは、ほぼ共晶のアルミニウム-シリコン-マグネシウム合金であり、金属付加製造（AM）分野、特にレーザー粉末床溶融（LPBF）プロセスにおいて、最も広く使用され、よく理解されているアルミニウム粉末であると言えるでしょう。その人気は、優れた造形性、高い強度対重量比、熱特性、およびコスト効率の組み合わせに由来しています。

元々は従来の鋳造用に開発された（A360として知られています）もので、その組成は3Dプリンティングの急速凝固特性に非常に適しており、鋳造品に比べて微細で安定した微細構造と優れた機械的特性をもたらします。

最適な性能を確保するために、組成は正確に制御されています。ASTM B928 / AMS 4345などの規格に準拠した標準的な組成は次のとおりです。

• 優れた造形性： Al-Si共晶系は比較的広い凝固範囲を持ち、LPBFプロセス中の残留応力とホットクラック（凝固割れ）の傾向を最小限に抑えます。これにより、最も許容範囲が広く、信頼性の高いアルミニウム合金の1つとなっています。
• 優れた強度と硬度： 「造形されたまま」の状態では、良好な機械的特性を提供します。ただし、その真の潜在能力は、熱処理によって引き出されます（セクション5を参照）。
• 高い熱伝導率： 優れた熱伝導率を示し、熱交換器、冷却プレート、電子エンクロージャーなどの用途に適しています。
• 低密度（〜2.67 g/cm³）： 高い強度対重量比を提供し、重量削減が最優先される航空宇宙、自動車、ロボット工学の用途に不可欠です。
• 優れた耐食性： 他のアルミニウム-シリコン合金と同様に、大気腐食に対して良好な耐性を提供します。

粉末の品質は、その化学組成と同じくらい重要です。主な粉末特性には以下が含まれます。

• 粒度分布（PSD）： 標準的なLPBFシステムでは、通常15〜63ミクロンです。一部のシステムでは、より細かい解像度を得るために、より狭い分布（例：20〜45μm）を使用する場合があります。
• 形態： 粒子は、均一で高密度の粉末床を層ごとに作成するために不可欠な、良好な流動性を確保するために球形でなければなりません。非球形の粒子は、再コーティング不良を引き起こし、欠陥につながる可能性があります。
• 流動性： Hall Flowmeterで測定（例：< 35 s/50g）。良好な流動性は、一貫性があり信頼性の高い印刷プロセスを保証します。
• 見かけ密度/タップ密度： 高密度（理論値の> 50％）は、良好な充填効率を示し、最終部品の密度を高くします。
• 低水分および酸化物含有量： 粉末は、印刷された部品の多孔性を引き起こす可能性のある酸化と水素のピックアップを防ぐために、乾燥した制御された雰囲気（多くの場合、アルゴン環境）で保管および取り扱う必要があります。

LPBFにおける急速冷却速度（〜10^5 - 10^6 K/s）は、非常に微細な非平衡微細構造を作成します。これは、極めて微細なシリコンの細胞/樹状ネットワークを持つ過飽和アルミニウムマトリックス（α-Al）で構成されています。この微細構造は、良好な「造形されたまま」の強度に貢献します。

熱処理は、特定の用途に合わせて機械的特性を調整するために使用されます。

• 応力緩和（T1）： ビルドプロセスからの内部残留応力を大幅に微細構造を変更することなく低減するための低温アニール（〜300℃、2時間）。
• 直接時効（T5）： 部品は、印刷直後に人為的に時効処理されます（例：160〜180℃、4〜12時間）。これにより、マトリックス内に微細なMg₂Si粒子が析出し、歪みを最小限に抑えながら強度と硬度を向上させます。
• 溶液熱処理と時効（T6）： これは、最大の強度を得るための最も一般的な処理です。部品は高温（〜520〜540℃）で固溶化され、焼入れされ、その後時効処理されます。このプロセスにより、シリコンネットワークが粗大化し（延性がわずかに低下）、析出硬化が最大化され、最高の引張強度と硬度が得られます。

AlSi10Mgは用途が広く、多くの業界で使用されています。

• 航空宇宙： ブラケットコンポーネント、衛星部品、ドローンフレーム、および非構造キャビンコンポーネント。
• 自動車： 軽量ブラケット、エンジンコンポーネント（例：インテークマニホールド）、熱交換器、およびカスタム油圧継手。
• 産業： ロボットエンドエフェクター、治具、固定具、および軽量自動化コンポーネント。
• 熱管理： ヒートシンク、電子機器用コールドプレート、および金型用冷却チャネル（コンフォーマル冷却）。
• プロトタイピング： 試験に金属のような特性を必要とする機能プロトタイプ。

• 優れた造形性と高いビルド成功率。
• 良好な比強度（強度対重量比）。
• 良好な熱特性。
• 広く入手可能で、十分に文書化されています。
• 他の高性能AM合金（例：Scalmalloy®）と比較してコスト効率が高い。

• 中程度の延性： 特にT6状態では、破断伸びは一部の鍛造アルミニウム合金よりも低くなります。
• 高温用途には適していません： 強度向上析出物の粗大化により、〜200℃を超えると機械的特性が大幅に低下します。
• 異方性特性： AMの層ごとの性質により、機械的特性は垂直（ビルド）方向と水平方向でわずかに異なる場合があります。