チタン合金のレーザー積層造形：プロセス、材料、後処理のレビュー

出典: 揚子江デルタG60レーザーアライアンス

シンガポール製造技術研究所（SIMTech）、中国の湖南大学、ドイツ航空宇宙センター（DLR）、ドイツのアーヘン工科大学、中国の南方科技大学、オーストラリアのエディスコーワン大学、米国のカリフォルニア大学、ブレーメン大学のライプニッツ材料研究所、中国の華南大学、長沙理工大学の研究チームが、チタン合金のレーザー積層造形：プロセス、材料、後処理に関するレビュー研究を報告しました。「チタン合金のレーザー積層造形：プロセス、材料、後処理」と題する関連論文がRare Metals誌に掲載されました。

チタン (Ti) 合金のレーザー付加製造 (LAM) は、複数の業界で大きな応用可能性を秘めた変革的なプロセスとなっています。 LAM チタン合金の最新の研究の進歩と技術レベルをレビューするために、本稿では、レーザー粉末床溶融法とレーザー指向性エネルギー堆積法という 2 つの主要な LAM 技術によって製造されるチタン合金について、プロセス、材料、後処理などの側面をカバーしながらレビューします。この論文では、LAM チタン合金に対するプロセスパラメータの影響とパラメータを最適化する戦略を体系的に説明します。このレビューでは、α チタン合金、(α+β) チタン合金、β チタン合金など、LAM によって製造されたさまざまなタイプのチタン合金の微細構造と機械的特性について説明します。従来および新しい熱処理、熱間静水圧プレス、表面処理（超音波ピーニングやレーザーピーニングなど）など、LAM チタン合金の特性を改善するために使用される後処理方法について体系的にレビューし、説明します。さらに、LAM チタン合金のプロセスウィンドウと性能範囲を検討し、研究結果を分析して比較します。最後に、本稿ではチタン合金LAMの今後の開発動向についても焦点を当てています。このレビューは、LAM チタン合金とその応用のさらなる開発を促進するために、研究者やその他の実務者に参考資料と教訓を提供することができます。
図1 本レビューの範囲。図2a LPBFの概略図とb LDED技術。
図3 LAMチタン合金の緻密化に対する処理パラメータの影響。
図4 LPBFで作製したTi-6Al-4V合金の微細構造に対する処理パラメータの影響。図5 LDEDで作製したTi-6Al-4V合金の微細構造に対する処理パラメータの影響。図6 LAMで作製したチタン合金に対するスキャン戦略の影響。図7 チタン合金のLAM調製における層間時間の影響。図8 チタン合金の反応性LAM
図9 チタン合金のLAM作製におけるサンプル構造の影響。図10 LAM法で作製したチタン合金に対する成形方向の影響図11 チタン合金のLAMのプロセスウィンドウ。
図12 チタン合金LAMの高忠実度機械モデリング。図13 LAMによって作製されたα-Ti合金の微細構造。
図14 LAM法で作製した（α+β）-Ti合金の微細構造。
図15 LAMにより作製されたβ-Ti合金の微細構造。図16 LPBFで製造されたTi-6Al-4Vのさまざまな従来の熱処理後の微細構造。
図17は、LPBFによって準備されたTi-6Al-4V合金の新しいカスタマイズされた熱処理を示しています。
図18 LAMで製造されたTi-6Al-4V合金に対するHIPの効果。
LAM にはさまざまなプロセスパラメータがあり、それらは溶融プールの形状、熱履歴、入射エネルギーに大きな影響を与え、LAM Ti 合金の微細構造、残留応力、特性に影響を及ぼします。この研究では、チタン合金の LAM に対するさまざまなプロセスパラメータの影響について詳しく説明します。処理パラメータを最適化するためのいくつかの戦略（レーザーエネルギー密度、処理ウィンドウのマッピング、高忠実度の機械モデリング）について説明します。欠陥を防ぎ、高密度の部品を得るには、適切なレーザーエネルギー密度が重要です。プロセスウィンドウマッピングは、高密度部品を実現するパラメータの組み合わせを決定するのに役立ちます。結論として、処理パラメータを制御することが理想的なパフォーマンスを得るための鍵となります。欠陥を最小限に抑え、機械的特性を最適化しながら高密度コンポーネントを得るには、さまざまな処理パラメータ間の相互作用を理解する必要があります。この分野でのさらなる研究により、LAM Ti 合金の加工技術が向上し、その産業用途が拡大することは間違いありません。
図19はLAMチタン合金の機械的特性をまとめたものです。 LAM 形成状態では、α-Ti および (α+β)-Ti 合金の機械的強度は通常、β-Ti 合金よりも高いことに留意する価値があります。 LAM 処理された α-Ti 合金と (α+β)-Ti 合金は、同様のマルテンサイト α′ 構造を持つため、機械的特性も類似しています。 LAM 処理された α-Ti 合金 (Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V、Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo など) は、高温安定性と高いクリープ強度を備えているため、高温用途での使用が期待されています。対照的に、(α+β)-Ti 合金は微細構造がより調整可能であるため、達成可能な機械的特性は α-Ti 合金よりも広範囲にわたります。ただし、これは、(α+β)-チタン合金の製造における LAM プロセスパラメータはより慎重に設定する必要があることも示しています。 β含有量が高い場合、Ti-6Al-2Sn-4Zr-6MoなどのAM処理された（α+β）チタン合金ではα''相が形成され、優れた延性と同等の機械的強度が得られます。図19に示すように、β-Ti合金の微細構造は一般に移行可能なβ相で構成されており、その強度はα-Tiおよび（α+β）-Ti合金よりも比較的低くなります。 LAM 処理された β-Ti 合金 (Ti-24Zr-4Nb-8Sn、Ti-13Nb-13Zr など) の利点は、生体適合性が良好で弾性係数が低いことであり、これらは生体医学的インプラント材料として魅力的です。さらに、LAM によって製造されたいくつかの高強度 β-Ti 合金 (例: Ti-3Al-8V-6Cr-4Zr-4Mo) も報告されていますが、優れた機械的強度を得るには通常、後時効処理が必要です。たとえば、LPBF と LDED で製造された Ti-3Al-8V-6Cr-4Zr-4Mo 合金 (ベータ C と呼ばれる) の引張強度は、適切な時効処理後、それぞれ 1611 MPa と 1510 MPa に達しました。
図19 LAM法で作製したチタン合金の機械的特性のまとめ。
後処理により、LAM Ti 合金の全体的な特性が向上します。 LAM Ti 合金に最も一般的に使用される 2 つの後処理方法は、PHT と HIP です。 LAMα および (α + β)-Ti 合金の場合、PHT または HIP を使用してマルテンサイト α′ 相を分解し、延性と疲労特性を向上させることができます。対照的に、LAM β-Ti 合金の場合、PHT または HIP によって α 相の析出が促進され、合金全体の強度が向上します。 HIP 処理により合金の微細構造が変化し、欠陥や気孔が効果的に閉じられることは注目に値します。さらに、LAM Ti 合金部品の表面処理により欠陥を排除することで、疲労性能が大幅に向上します。
図20 チタン合金LAMの今後の研究開発（R&D）動向
LAM の進歩により、LAM 製の Ti 合金の利用を向上させる新たな道が開かれました。この記事では、図 20 に示すように、スマートプロセス最適化、プロセスイノベーション、材料イノベーション、ポート処理イノベーションなど、いくつかの主要な新たな R&D トレンドについて詳しく説明します。

これらの機会と課題に取り組むことで、研究者やエンジニアは LAM Ti 合金の分野を大きく前進させ、幅広い業界にわたるより広範で影響力のあるアプリケーションへの道を切り開くことができます。

論文リンク:

Su, JL., Jiang, FL., Teng, J. et al. チタン合金のレーザー積層造形：プロセス、材料、後処理。Rare Met. (2024). https://doi.org/10.1007/s12598-024-02685-x

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