研究者らは、DED専用のベイナイトチタン合金を開発し、複数の強化メカニズムを通じて高強度特性を実現した。

はじめに: 現在、積層造形の分野で最も広く使用されているチタン合金材料は、もともと鍛造製造用に開発された合金である Ti-6Al-4V です。この材料は積層造形プロセスでうまく使用されていますが、機械的特性の点ではまだ改善の余地があります。具体的には、3D プリントされた Ti-6Al-4V には柱状のプレ β 粒子が存在することが示されており、これが異方性につながる可能性があります。
2024年8月17日、アンタークティックベアは、この現象を解決するために、オーストラリアのロイヤルメルボルン工科大学、ノーステキサス大学、チェコのテスキャングループの研究者が、チタン、銅、鉄（Ti-Cu-Fe）からなる積層造形用の新しいベイナイト三元合金を開発したことを知りました。この研究は、低コストの元素粉末を使用した積層造形によって、ユニークで優れた特性を持つ構造部品を製造する実現可能なアプローチを実証しています。

関連研究は、「積層造形用に設計された新しいベイナイトTi合金」というタイトルの論文とともに、Materials and Design誌に掲載されました。

関連論文リンク: https://doi.org/10.1016/j.matdes.2024.113176
図 1. a) Ti-XCu-4Fe の共析温度付近の等高線（x は 0 ～ 8 wt% の範囲）。 b) 0 → 8 % の Cu および Fe 組成に対する共析組成と Q 値を示す合金設計戦略図。表 1. 公称 Ti-Cu-Fe 合金の ICP-MS 分析と、考慮した各組成の計算された Q 値。図2. 親粒子分析後のTi-2Cu-2Fe、Ti-2Cu-4Fe、Ti-4Cu-4Fe、Ti-4Cu-6FeのEBSD画像。 IPF シェーディングは Z0 方向 (ページ外) に平行です。図 3. a) および b) Ti-2Cu-4Fe、赤い矢印は Ti2Cu 粒子を示します、c) および d) Ti-4Cu-4Fe、e) および f) Ti-6Cu-4Fe、g) および h) Ti-4Cu-6Fe。赤いボックスは隣接する画像の拡大領域を示します。最も暗い粒子/ラティスはα相、灰色のマトリックスはβ相、最も明るい粒子はTi2Cu金属間化合物です。 (この図の凡例の色の説明については、この記事のウェブ版を参照してください。) 図 4. Pandat (PanTi v2022) から取得し、等軸微細構造を示す 4 つの組成物 (Ti-4Cu-4Fe、Ti-6Cu-4Fe、Ti-4Cu-6Fe、Ti-6Cu-6Fe) について SEM 画像から計算した、室温での TiFe を除く平衡相分率。図5. TEM画像と高解像度EDS TEMは、α相と残留β相の交差領域における異なる相の元素濃度と、相間に形成された金属間化合物を示しています。領域 i.、ii.、iii. は、サンプル内でスペクトルが収集された領域を表し、異なる相の元素組成 (±σ) のスペクトル分析が表 2 に示されています。図 6. a) Ti-4Cu-4Fe の明視野画像。赤い矢印は b で分析した Ti 2 Cu 粒子を示しており、これは α ラティスと残留 β 相の交差点に形成されています。 b) a の粒子から収集された SAED 回折パターン。Ti 2 Cu が 0 0 1 ゾーン軸に沿って配向していることを確認しています。（この図の凡例の色の説明については、この記事のウェブ版を参照してください。）図7。 a) Ti4Cu4Feの明視野ステム画像。 b) 相信頼性図に重ね合わせた相識別、c) α 相結晶配向図。 d) β相結晶配向図。 e) Ti 2 Cu 結晶方位マップ（IPF カラーリングはページ外の Z 方向に平行）。 f) および g) 極図、平面、方向。平行な平面と方向のペアはそれぞれ赤い円で表されます。 (この図の凡例の色の説明については、この記事のウェブ版を参照してください。) 図 8. Ti-4Cu-4Fe、Ti-4Cu-6Fe、Ti-6Cu-4Fe、および Ti6Cu-6Fe 組成の代表的な引張曲線。平均引張応力と破断時の伸びは点で示され、エラーバーは標準誤差を示します。図9. 破面の二次電子像。 a) Ti-4Cu-4Fe、b) Ti-4Cu-6Fe、c) Ti-6Cu-4Fe、および d) Ti6-Cu-6Fe。図10. 粒径と面積加重アスペクト比の逆数およびQ値の逆数の関係。 Q 値が増加すると、等軸微細構造になります。等軸粒子の平均アスペクト比は 0.5 の逆数です。破線は、等軸微細構造が形成される Ti-4Cu-4Fe 組成を表します。 Ti-2Cu-2Fe の粒径は、大きな柱状粒子をより適切に考慮するため、面積加重粒径によって推定されました。エラーバーは標準誤差を示します。表3. Pandat CALPHAD ソフトウェアによって予測された凝固範囲。図 11. 製造された DED サンプルと比較した Ti-4Cu-4Fe、Ti-6Cu-4Fe、および Ti-4Cu-6Fe の機械的特性の改善。 H 項と V 項は、水平面と垂直面におけるタイバーの製造方向を示し、製造された Ti-6Al-4V の固有の異方性を示します。破線は Ti-6.5Cu と Ti-8.5Cu の二元合金を結びます。図 12. さまざまなモデル化された強化メカニズムの寄与と実験的な降伏強度の比較: 強化メカニズムには、純チタンのすべり活性化応力、固溶体強化、α 相とのホール・ペッチ関係、析出強化、フォレスト転位強化が含まれます。
ベイナイト合金は鋼鉄の中で最も一般的であり、2 相の微細構造を特徴とします。研究チームは、合金の化学組成を変えることでチタンのその場β粒子問題を解決したいと考えている。この変化は凝固中の「構造的過冷却」に大きな影響を与える可能性があるからだ。チームは、積層造形法で製造された Ti-Cu 合金の成功を基に、積層造形用に開発された Ti-Cu-Fe 合金の微細構造制御を研究しました。鉄が選ばれたのは、元のβTi粒子を精製する能力（銅と同様）があるためです。
この研究では、研究者らはレーザー指向性エネルギー堆積法（DED）を使用してチタン合金を3Dプリントすることに成功しました。研究で述べられているように、3 種類の Ti-Cu-Fe 合金 (Ti-4Cu-4Fe、Ti-4Cu-6Fe、Ti-6Cu-4Fe) の機械的特性を 2 元 Ti-Cu 合金および Ti-6Al-4V の機械的特性と比較したところ、3 元合金の微細構造が大幅に改善されていることが分かりました。最終的に、この研究プロジェクトは、低コストの元素粉末と DED を使用して強力なチタン合金構造を 3D プリントする可能性を実証しました。
「この研究は、ベイナイトチタン合金が独自の微細構造を通じて機械的特性を向上させる可能性を実証しています」と研究は結論づけています。「この合金系は、より多くの核生成サイトを導入することで、粒界エンジニアリングと結晶粒微細化を通じて機械的特性をさらに向上させる大きな可能性を秘めています。」

研究者らは、DED専用のベイナイトチタン合金を開発し、複数の強化メカニズムを通じて高強度特性を実現した。

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