積層造形への応用: Ti-6Al-4V の応力緩和挙動とメカニズムのその場中性子回折

1 研究の背景 チタン合金は、比強度が高く耐食性に優れているため、航空宇宙産業や医療産業で広く使用されています。従来の減算製造法と比較して、積層製造法はより複雑な形状や構造のワークピースを加工・製造できると同時に、原材料の無駄を大幅に削減できるため、チタン合金を原料とする積層製造技術は航空宇宙や医療分野でますます広く利用されるようになっています。積層造形プロセスでは、溶融材料は凝固するにつれて収縮し、その後冷却されるにつれてさらに収縮します。層ごとの処理中、溶融プールに隣接する材料と溶融プールの下の材料は複雑な熱サイクルを受け、堆積層で追加の膨張と収縮のサイクルが発生する可能性があります。連続的な層ごとの堆積プロセスでは、複雑な熱サイクルにより残留応力が蓄積されます。蓄積された残留応力により部品が変形したり、ひどい場合には亀裂が生じたりして、ワークピースの寸法精度と完全性が低下します。堆積中に蓄積または解放される残留応力の量は、堆積された材料と基板の応力緩和挙動に依存し、層間間隔の時間と温度は応力緩和挙動に大きな影響を与えます。積層造形における熱力学モデルは、ワークピースの製造中に残留応力と変形を予測するために使用でき、プロセスパラメータを最適化することでワークピースの残留応力と変形を最小限に抑えることができます。したがって、積層造形における応力緩和挙動を正しく理解することで、熱機械モデルを改善し、AM 部品の製造中に残留応力を予測する能力を向上させることができます。

2 研究プロセス<br /> 本論文では、Ti-6Al-4Vを研究対象とし、従来法（CP）と積層造形（AM）の2つの試験片について実験分析を行った。試験片の形状は直径5mm、長さ10mmの円筒形であった。次に、サンプルをそれぞれ 600°C と 700°C に加熱し、圧縮後のひずみ速度 7.8×10-4/s、工学ひずみ 0.045 で準静的一軸圧縮試験を実施しました。実験中、ひずみは一定のままです。一定の温度では、応力は時間とともに減少し、応力緩和現象が発生します。実験中、著者らは中性子回折技術を使用してサンプルの応力緩和挙動のその場観察を行い、Ti-6Al-4Vの応力緩和メカニズムを研究した。

3 グラフィックガイド

図1 原位置中性子回折法を用いて軸方向および横方向の格子ひずみを測定するための圧縮実験の概略図。格子ひずみの測定に加えて、中性子回折技術を使用してα相の相対体積率の変化を推定することもできます。

図 2 600°C および 700°C での従来の処理および AM サンプルの応力緩和曲線。グラフから、特定の温度および特定のひずみ条件下では、応力が急速に減少することがわかります。最初の 10 分以内に、600°C での応力は 60～65% 緩和され、700°C での応力は 70～80% 緩和されます。その後、応力緩和挙動はより遅い速度で進行し、最終的に約 15MPa まで減少します。

図 3 AM サンプルの軸方向加熱、荷重、応力緩和挙動に対応する中性子回折パターン。黒線から赤線への遷移は加熱プロセスに対応し、赤線から黄線への遷移は荷重プロセスに対応し、黄線から青線への遷移は応力緩和プロセスに対応します。図中にマークされているピークはすべてα相であり、比較のために101ピークが拡大されています。

図4は、室温で圧縮されていないサンプルの微細構造画像です。図（a）は従来の方法で処理されたサンプルの微細構造、図（b）は積層造形サンプルの微細構造です。図（b）では針状のマルテンサイト組織がはっきりと見られます。明るい色はα相領域、暗い色はβ相領域です。原理は、クロールエッチング液がβ相を優先的に腐食することです。

表 1 従来の処理と積層造形における異なる温度での Ti-6Al-4V の体積分率図 5 (a) と (b) は、それぞれ 600 °C での従来の処理と積層造形における格子ひずみの時間変化を示すグラフであり、(c) と (d) は、それぞれ 700 °C での従来の処理と積層造形における格子ひずみの時間変化を示すグラフです。図から、格子ひずみの時間変化の傾向は、図 2 の応力の時間変化の傾向と一致していることがわかります。従来の処理と積層造形における α 相の格子ひずみは大幅に減少しましたが、β 相の格子ひずみは時間とともに変化する際に明らかな規則性がありません。同時に、温度の上昇とともにひずみ緩和率が増加することもわかります。

4 結論
1. 600℃と700℃では、マクロ応力と格子ひずみはともに90分以内に急速に減少し、無視できるレベルに達しました。温度が上昇するにつれて、ひずみ緩和率が増加し、ピーク応力は減少しました。最終的に、従来の処理と積層造形サンプルの応力は、明らかな違いはなく、安定した応力値になる傾向がありました。

2. 同じ温度とひずみでは、AM 試験片は従来の処理で作成された試験片よりも応力ピークと応力緩和率が低くなります。

3. 600℃および700℃では、応力緩和は相変態（α→β）またはα相からβ相への荷重移動によって引き起こされません。著者らは、応力緩和は転位の滑りと登りによって達成されるのではないかと推測しています。

この記事は、高温合金精密成形研究センターの2018年度修士課程学生であるTan Zhijunによって編集されました。

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