北京航空航天大学の柱状結晶と単結晶チタン合金の方向性成長分野における3Dプリント技術

この投稿は Little Soft Bear によって 2016-11-25 14:41 に最後に編集されました。

金属3Dプリントはますます普及しつつあります。印刷品質の向上に加え、印刷サイズも徐々に大型化しています。チタン合金は、低密度、高強度、高降伏強度比、耐食性、優れた高温機械的特性など、優れた性能上の利点があり、石油化学、海洋、航空、航空宇宙、船舶、冶金、兵器などの産業機械や設備の重要な高温構造部品として広く使用されています。特に、優れた生物学的特性を有するため、人体インプラントに広く使用されていますが、加工の難しさから、3Dプリントが登場するまでは、一部の分野でのチタン合金の応用はまだ限られていました。南極熊が以前発売した中国銀行マットの200万元炉がこちらです。金属3Dプリント材料粉末（チタン合金など）の製造に使用されます。この設備セットでチタン合金粉末を製造し、3Dプリントに使用できます。

南極熊は以前、北京航空航天大学の王華明氏の「レーザー付加製造」チームについて報道しており、同チームは多数の航空宇宙および航空機の構造荷重支持部品のレーザーラピッドプロトタイピングを実現した。中国初の地域戦闘機C919の一部の部品はこのチームによって製造された。チームの金属部品向け高性能レーザー積層造形技術は国際トップレベルに達しており、北京航空航天大学は中国航空工業集団と提携して北京に中国航天レーザー技術有限公司成果産業化基地を設立し、中国の主要な装備製造業の技術進歩に貢献し始めた。

高温チタン合金の高温機械的性質を改善するための主な従来の方法は、近αチタン合金に固溶強化を施し、β変態組織を制御し、少量の金属シリサイド析出強化を使用することです。 3Dプリント技術の発展により、直線柱状結晶の方向性成長と単結晶組織特性を備えたさまざまな形状のチタン合金インゴットやさまざまな複雑なニアネットシェイプ部品を製造できるようになりました。それらの高温機械的特性、特に高温クリープ特性と高温耐久寿命は、工業用鍛造鋳造等軸チタン合金と比較して大幅に向上しています。石油化学、海洋、航空、航空宇宙、船舶、冶金、兵器などの業界で広く使用できます。この分野における北京航空航天大学の進歩を見てみましょう。

粒界は、チタン合金などの金属構造材料が長期間の高温使用条件下で変形、亀裂発生、および拡大する際の弱点です。また、粒界は、高温条件下で酸素原子がチタン合金の内部に急速に浸透して拡散する高速チャネルでもあり、これにより、深刻な粒界脆性、酸素拡散層脆性、および部品の早期破壊を引き起こします。

高温チタン合金の主要高温端部品における力の方向に対して垂直な粒界（横方向粒界）を排除し、一方向に成長した直線柱状結晶を有するチタン合金材料を作製することができれば、この材料の高温機械的特性、特に高温耐久寿命、クリープ強度、およびその他の高温機械的特性は間違いなく大幅に改善されるでしょう。さらに、粒界の弱点を完全に排除し、単結晶チタン合金を作製することができれば、チタン合金部品の性能が大幅に向上します。
しかし、チタンは高温で化学活性が高いため、方向性凝固プロセス中に、高温チタン合金融液はほぼすべての高温耐火鋳型シェルと深刻な化学反応を起こします。チタン合金の熱伝導率は非常に低く、凝固冷却速度は遅いため、方向性凝固に必要な冷却速度と、液固界面の前面での成長方向に沿った高い温度勾配を安定して確立して維持することは困難です。チタン合金融液は主に鋳型壁から熱を放散し、その周囲に多数の核が形成され、最終的に等軸結晶に成長します。現在の金属材料の方向性凝固技術はすべて、チタン合金の方向性成長を実現できません。

北京航空航天大学の積層造形技術は、動的密閉雰囲気制御加工保護室または密閉雰囲気制御加工保護室（最初に真空にしてから不活性保護ガスを充填）内で高エネルギービームを熱源として、気流または重力により同期輸送されるチタン合金粉末流を通常のチタン合金基板上に連続的に溶融堆積または層ごとに溶融堆積し、金型なしの自由成形により、方向性成長の直線柱状結晶構造と異なる断面形状を持つチタン合金インゴットまたは任意の複雑なチタン合金部品を直接製造するものである。単結晶チタン合金インゴットは、結晶選択または単結晶種結晶の使用による連続溶融堆積によって製造することができ、単結晶チタン合金部品も単結晶チタン合金基板上に層ごとに溶融堆積することによって製造することができる。
図1 連続溶融堆積法による方向性成長チタン合金柱状結晶棒の製造の模式図図2 層状溶融堆積法による方向性成長柱状結晶チタン合金板の製造の模式図図3 単結晶種結晶上への連続溶融堆積法による方向性成長単結晶チタン合金インゴットの製造の模式図

具体的な手順は次のとおりです。
ステップ 1: 粒子サイズが -60 ～ +300 メッシュのチタン合金粉末を粉末供給装置に入れます。

ステップ2：チタン合金基板を動的密閉雰囲気制御処理保護チャンバーまたは密閉雰囲気制御処理保護チャンバーに配置し、締めます。

ステップ3：動的密閉雰囲気制御処理保護チャンバーに、純度99.99～99.999％の高純度アルゴンまたはヘリウム不活性保護ガスを充填するか、密閉雰囲気制御処理保護チャンバーをまず10-1～10-3Paの真空度まで排気し、次に純度99.99～99.999％の高純度アルゴンまたはヘリウム不活性保護ガスを常圧まで充填します。

ステップ4：高エネルギービーム熱源を導入し、同時に粉末供給装置を起動してチタン合金粉末を搬送する。チタン合金基板の表面と成形部品またはインゴットの接合領域の表面が部分的に溶融している必要がある。熱源は、準備するチタン合金部品またはインゴットの形状とサイズに応じて、その出力、ビームスポット形状、ビームスポットサイズなどのパラメータを調整する。粉末搬送速度は、準備する部品やインゴットの形状とサイズの要件に応じて、高エネルギービーム出力、ビームスポットサイズ、スキャン速度、単層堆積高さ、連続上昇速度（つまり、連続溶融堆積増加速度）などに適合する。

ステップ５：インゴットまたは部品を形成する工程において、高エネルギービーム熱源は、高エネルギービーム熱源加工ヘッドを連続的に持ち上げる（基板は動かない）か、または基板を連続的に引き下げる（熱源加工ヘッドは動かない）ことにより、高エネルギービーム熱源は、同期搬送されるチタン合金粉末を通常のチタン合金基板上に連続的に溶融堆積させて、一方向凝固柱状結晶構造を有するチタン合金インゴットを製造する。または、高エネルギービーム熱源を使用して、同期搬送されるチタン合金粉末をチタン合金単結晶種結晶または単結晶基板上に連続的にまたは層ごとに堆積させて、単結晶構造を有するチタン合金インゴットまたは複合部品を製造する。または、高エネルギービーム光源が部品ＣＡＤモデルの断面スライス軌跡に沿って走査し、同期搬送されるチタン合金粉末を通常のチタン合金基板上に層ごとに溶融堆積させて、一方向凝固柱状結晶構造を有する異なる形状およびサイズのチタン合金部品を製造する。

ステップ６：製造された一方向凝固柱状結晶または単結晶チタン合金部品またはインゴットを１００℃以下に冷却した後、動的密閉雰囲気制御処理保護室または密閉雰囲気制御処理保護室を開けて取り出す。

ステップ 7: 必要に応じて、準備された一方向凝固柱状結晶または単結晶チタン合金部品またはインゴットの組成、組織、および性能をテストします。

この記事の参考文献:
特許：方向性成長柱状結晶および単結晶チタン合金の製造方法 - 北京航空航天大学特許
EP2985369: SiC単結晶の製造方法
方向性凝固と単結晶材料の調製 - Douban.com

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出典: 3D Science Valley 詳しい情報:
写真: ドイツのSLM社が大型チタン航空機部品を3Dプリント
200万元の炉がここにあり、金属3Dプリント材料粉末（チタン合金など）を製造しています。

北京航空航天大学の柱状結晶と単結晶チタン合金の方向性成長分野における3Dプリント技術

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