InconelのDMLS部品に発生する内部欠陥とは？どう制御する？

工学的観点から見ると、DMLS（ダイレクトメタルレーザー焼結）によるインコネル部品の内部欠陥は、レーザーエネルギー、粉末品質、走査戦略、およびオーバーハング部の支持構造の相互作用によって主に発生します。私たちはDMLS金属3Dプリンティングを用いて重要な超合金部品を製造し、その後超合金CNC加工サービスで仕上げます。その目的は、航空宇宙、発電、および石油・ガス産業の厳しい要求を満たすために、気孔、亀裂、微細組織の不均一性を制御することです。

DMLSインコネル部品における代表的な内部欠陥

最も一般的な内部欠陥は気孔（ポロシティ）です。融合不足による気孔は、レーザーエネルギーが不十分であったり、走査トラックがずれている場合に層間に未溶融領域が残ることで発生します。ガス気孔やキーホール気孔は、ガスの閉じ込めや過剰なエネルギーによって蒸気キャビティが形成され、それが固化して丸い空隙となるものです。高強度合金であるインコネル718や汎用インコネル合金では、これらの気孔が疲労荷重下で亀裂の起点となることがあります。

もう一つの欠陥は微小亀裂（マイクロクラック）です。特に粒界に沿ったホットティアが発生しやすく、Ni基超合金は凝固範囲が狭く残留応力が高いため、プロセスパラメータや設計が最適化されていない場合、熱勾配によって微小亀裂が内部に生じます。さらに、熱伝導性の悪い領域や極薄壁、影になる部分では、未溶融粒子や前層の再溶融不足による非融合領域が形成されることがあります。

プロセスパラメータと粉末管理

欠陥制御の第一歩は粉末管理です。私たちは、粒径分布が厳密に管理された球状形状の航空宇宙グレードインコネル粉末を採用し、酸素含有量を低く抑えています。また、粉末再利用のサイクルを監視し、流動性低下やガス吸収増加を防ぎます。

プロセス面では、DMLSのパラメータ（レーザー出力、走査速度、ハッチ間隔、層厚）を各合金および肉厚範囲ごとに最適化し、固定しています。走査戦略として、ストライプスキャン、チェスボードスキャン、輪郭パス、スキャンベクトルの回転などを活用し、残留応力の低減と熱集中の防止を図ります。重要部品の製造では、試験クーポンを用いた破壊試験によりプロセスウィンドウを確立し、その後統計的工程管理を適用して溶融プールの安定性を維持します。多くの最終製品では、DMLSによるニアネットシェイプ造形後にCNC加工や必要に応じて放電加工（EDM）を併用し、表面欠陥を除去します。

後処理および非破壊検査による内部欠陥の低減

DMLSインコネル部品の内部気孔を減少させる最も効果的な方法は、熱間静水圧処理（HIP）です。高温・高圧ガス環境下で内部の気孔を閉鎖・結合させることで、疲労寿命が大幅に向上します。HIP後には、インコネル718のような合金に適した熱処理サイクルを適用し、γ’およびγ’’析出物を制御的に形成して必要な機械的特性を発現させます。

HIPおよび熱処理後、シール面やベアリングジャーナル、嵌合部などの重要面を高精度機械加工およびCNC研削加工で仕上げ、表面欠陥を除去して寸法精度を確保します。内部品質は非破壊検査（NDT）により検証され、X線・CTスキャンによる気孔および融合不足の検出、超音波探傷による層状欠陥の検出、必要に応じて浸透探傷による表面亀裂検出を実施します。

量産工程では、粉末・DMLS造形条件・HIP・熱処理・仕上げ・検査を含む一連のプロセスを代表試験部品で認定します。この統合アプローチにより、DMLSインコネル部品はタービン高温部品、熱交換器、高圧マニホールドなどの厳しい信頼性要求を満たすと同時に、金属3DプリンティングとカスタムCNC加工の設計自由度および短納期性を活かすことが可能になります。