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Apr 12, 2024

積層造形チタン合金の相および特性の不均一性を考慮した設計

Nature Communications volume 13、記事番号: 4660 (2022) この記事を引用する 11k アクセス数 19 引用数 4 Altmetric Metrics の詳細 積層造形 (AM) では、次の方法でデジタル設計された部品を作成します。

Nature Communications volume 13、記事番号: 4660 (2022) この記事を引用

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19 件の引用

4 オルトメトリック

メトリクスの詳細

積層造形 (AM) では、材料を連続的に追加してデジタル設計された部品を作成します。 しかし、固有の熱サイクルにより、AM で製造された金属部品はほぼ必然的に、相や機械的特性の空間依存性の不均一性が生じ、予測できないサービス障害が発生する可能性があります。 ここでは、レーザー粉末床融合によって製造されたチタン合金におけるこの問題を克服するための相乗的な合金設計アプローチを実証します。 私たちのアプローチの鍵は、純チタン粉末と酸化鉄（Fe2O3）ナノ粒子を組み合わせて添加した、Ti−6Al−4V（重量パーセント）のその場合金化です。 これにより、少量の Fe を導入しながら V 濃度を希釈することで相の不均一性をその場で除去できるだけでなく、酸素溶質強化による強度損失も補償されます。 当社の合金は、Ti-6Al-4V よりも優れた空間的に均一な微細構造と機械的特性を実現します。 この研究は、他の合金の設計の指針となる可能性があり、AM プロセスに固有の課題を克服するだけでなく、AM によって提供される合金設計の機会も活用できます。

鋳造や機械加工などの従来の金属製造プロセスとは異なり、積層造形 (AM) では、高エネルギー源 (レーザー、電子ビーム、レーザーなど) で原料 (粉末やワイヤーなど) を溶かすことによって、デジタル設計された部品を層ごとに構築します。プラズマアーク）1、2。 AM プロセスのこのユニークな特徴は両刃の剣です。 一方で、従来の製造方法では達成できない望ましい形状、微細構造、特性を製造できる可能性があります3、4、5、6、7、8。 一方で、本質的に急峻な熱勾配、高い冷却速度と AM 中に通常発生する複雑な熱履歴により、微細構造に多孔性、元素偏析、柱状粒子、不均一に分布した相が生じることがよくあります 9,10,11。 12 – 凝固中またはその後の固相変態により、構築された金属部品のさまざまな場所で不均一な機械的特性が発生します13、14、15、16、17。 多孔性、元素偏析、および柱状粒子に関連する問題は、加工パラメータおよび/または合金組成の操作を通じて効果的に対処されてきました 18、19、20。 しかし、AM中に凝固後に固相変態を受ける合金では相の不均一性がほぼ必然的に発生するため、均一な機械的特性を達成することが長年の課題となっています。 このような現象は、機械的負荷に対して異なる反応を示す領域が組み込まれている複雑な形状 21 を備えた積層造形金属コンポーネントでより顕著であり、その結果、予測できないサービス障害が発生します。

Ti-6Al-4V は、積層造形中に積層方向に沿って相の空間的変化を示す代表的な合金の 1 つです 22、23、24、25。 レーザー粉末床融合（L-PBF）（図1a）などのAMプロセス中、最初の層が凝固した後、Ti-6Al-4Vは固体状態β（体心立方構造）→α'（六方最密構造）高い冷却速度によるマルテンサイト変態。 連続層が追加されるにつれて、最初に形成された針状α'マルテンサイトは、広範囲の熱サイクル下で分解して層状（α + β）微細構造になります（図1a）。 したがって、L-PBFによって製造されたTi-6Al-4Vの微細構造は、構築方向に沿って空間的に依存する相を特徴とし、上面に針状のα’マルテンサイトがあり、部分的または完全に安定化された層状（α + β）微細構造が形成されていることが一般に報告されています。下部領域では23、24、25。 このような段階的な位相分布は、この研究（方法）の走査型電子顕微鏡（SEM）（図1bおよび補足図1a、b）およびX線回折（XRD）（補足図2）によっても確認されます。 機械的特性に対する相の不均一性の影響を明らかにするために、L-PBF で製造した Ti-6Al-4V 試験片の垂直方向と水平方向の両方に沿って室温で引張試験を実行しました（方法）。 製造されたままのTi-6Al-4Vは、同様の強度を示しますが、両方向に沿って非常に分散した延性を示します（図1c）。 特に、水平方向に沿った引張延性 (破断までの引張伸びの点で) は 9.4% から 17.6% まで著しく変化し、最低値は上面で観察されます。 この傾向は、詳細な微細構造分析（補足図3〜5および補足注1）と組み合わせると、空間位相分布が、ここで観察された高度に散乱した延性の最も可能性の高い原因であることを明らかにしています。 この観察は、針状 α' マルテンサイトは亀裂の発生に抵抗できないため、一般に層状 (α + β) 微細構造と比較して延性が劣るという一般的な考えとも一致しています 24,26。 過去 10 年間にわたり、L-PBF による積層造形 Ti-6Al-4V 中の望ましくない α' マルテンサイトを除去するために、プロセス制御または合金設計の戦略に基づいて、豊富な研究が行われてきました。 前者の戦略には通常、L-PBF の熱サイクルを操作して固有熱処理 (IHT) 27 をトリガーし、その場でのマルテンサイト分解を促進する 24,27 ことが含まれます。 しかし、最上層が受ける熱サイクルが限られているか、存在しないため、針状 α' マルテンサイトは部分的にしか分解しないか、場合によっては残留することもあります 24,25。 したがって、建築方向に沿った位相の不均一性を取り除くことはできません。 微細構造を均質化するために AM 後の熱処理がよく行われますが 28、残念なことに、生産サイクルが長くなり、AM プロセスの有効性に影響を及ぼします 29。 したがって、最初に位相不均一性を除去することが非常に望ましい。 あるいは、元素粉末を介してβ安定化元素（Mo30 など）を使用した Ti-6Al-4V のその場合金化により、完全な β 相の形成が可能になり、（強度損失は犠牲になりますが）高い延性が得られます。 しかし、結果として生じる未溶融の添加剤粒子や劇的な元素偏析により、不均一で再現性のない機械的特性が得られるという懸念が生じる可能性があります 31。