MC、大連理工大学：レーザー積層造形における Ti6Al4V-インコネル 718 傾斜材料の金属間相転移メカニズム

出典: アドバンスト・ウェルディング・テクノロジー

大連理工大学高性能精密製造国家重点研究室は、「レーザー積層造形法によるTi6Al4V-インコネル718傾斜材料界面の金属間相転移メカニズム」と題する論文をMaterials Characterization誌に発表した。本研究では、レーザー積層造形技術を用いてTi6Al4V-インコネル718傾斜材料を作製した。2つの材料の傾斜界面は、金属間化合物相の種類に応じて分割され、界面の異なる領域における金属間化合物相の分布が分析された。合金中の主要元素の変化と、各金属間化合物相の形成経路、分布、形態が明らかにされ、傾斜材料と中間合金相の組織構造を制御するための理論的指針が示された。この研究は、中央大学基礎研究運営費特別基金と中国国家自然科学基金の支援を受けて行われた。

機能的に傾斜した材料は、異なる材料の特性を同じコンポーネントに組み合わせることで、コンポーネントが異なる場所で異なる特性や機能を持つようにします。例えば、極超音速航空機の姿勢制御グリッド翼では、前部の風上面は高温に耐え、中間部と後部は高い比強度と軽量が求められます。均質材料では、高強度や軽量などの複雑な使用要件を満たすことが困難です。レーザー積層造形技術は製造の柔軟性が高く、部品製造工程で材料の種類や割合を任意に変更できるため、傾斜材料の製造が容易になります。同時に、レーザー積層造形は部品製造において高い柔軟性を提供するため、複雑な部品の統合製造を実現できます。この技術は、複雑な機能的勾配構造の製造ニーズを完全に満たすことができます。チタン合金-高温合金傾斜材料は、チタン合金の高い比強度と高温合金の耐高温性を兼ね備えており、姿勢制御グリッド翼などの主要部品の複雑なサービス要件を完全に満たすことができます。

Ti6Al4V-インコネル 718 傾斜材料の接続中に生成される Ti2Ni や TiNi などの脆い金属間化合物により、界面の微小硬度が増加し、界面に亀裂が発生するため、その用途が制限されます。この問題に対処するために、研究者たちは遷移層を追加し、添加剤のプロセスパラメータを最適化し、熱処理を施すことで脆性相の生成を減らし、亀裂の発生を抑制してきました。現在、Ti6Al4V-インコネル718の傾斜界面における金属間化合物相の種類、形成および変態メカニズムに関する研究は十分に行われていません。 2 つの材料間の界面における金属間相の変化と分布は不明です。そこで本論文では、レーザー積層造形技術を用いてTi6Al4V-インコネル718傾斜材料を作製し、熱力学計算により界面の各領域における金属間相の種類と含有量を予測した。Ti6Al4V-インコネル718傾斜界面の異なる領域における金属間化合物相の分布を分析した。合金中の主要元素TiとNiの変態と金属間化合物相の形成経路を明らかにし、傾斜材料における金属間相の制御の理論的根拠を提供した。

主なテストデータは次のとおりです。

図1 サンプルの微細構造 (a) サンプルの断面、(b) Ti6Al4V ゾーンの微細構造、(c) インコネル 718 の微細構造、(d)-(e) サンプルの遷移ゾーン I の微細構造、(f)-(g) サンプルの遷移ゾーン II の微細構造、(h)-(i) サンプルの遷移ゾーン III の微細構造図2 サンプルの界面相の XRD 分析結果図3 遷移界面ゾーン II の TEM 分析結果 (a) ゾーン II の微細構造、(bc) 該当位置での選択領域電子回折、(df) 微細構造内の紫枠領域の元素分布図4 サンプルのゾーン III の元素分布結果図5 遷移界面のゾーン III の TEM 分析結果図6 サンプルの遷移界面における相分布の模式図図7 元素含有量の異なる Ti6Al4V/インコネル 718 複合材料の相含有量の計算結果図8 Ti6Al4V の微細構造解析とサンプル I 領域 (a) 相分布図、(b) 配向図、(c) 反極図、(d) KAM 図主な結論:
マランゴニ効果と材料の密度差により、インコネル 718 と Ti6Al4V は界面で絡み合い、勾配界面は不均一になります。 Ti6Al4V には α-Ti 相と β-Ti 相が含まれており、これらは傾斜界面付近で薄片状になっており、Ti6Al4V から遷移界面まで伸びています。インコネル 718 には γ 相とラーベス相が含まれています。ラーベス相の分布は、マトリックス γ のデンドライト形態に依存します。インコネル 718 合金の相変態順序は、一般的に L → L + γ → L + Laves + γ です。まず、γ相が形成されます。 γデンドライトの増加に伴い、液相中のMo、Nb、Ti元素の濃度が徐々に増加します。ある濃度に達すると、L → Laves + γ 反応が起こります。

金属間化合物の異なる相タイプに応じて、勾配界面は 3 つの領域に分割されます。 Ti元素が減少し、Ni元素が増加すると、Ti2Ni、TiNi、Ni3Tiが順に形成されます。ゾーン I の主な相は層状の Ti2Ni で、少量の β-Ti と α-Ti が含まれています。主相は液相から直接形成されるか、または L → β-Ti + Ti2Ni 共晶反応によって形成されます。 Ti6Al4Vと比較すると、領域Iの組織強度は大幅に弱まり、粒子異方性が強化されます。同時に、異なる相間の靭性の差と熱応力の存在により、変形の不一致が発生し、Ti6Al4V ゾーンとゾーン I の界面、および一部の Ti2Ni 相で KAM 値が高くなります。

ゾーン II 相は主に TiNi、AlNi、および少量の Ti2Ni で構成されています。 TiNi と AlNi は液相から直接生成されますが、Ti2Ni は主に L + TiNi → Ti2Ni の包晶反応によって生成されます。ゾーン III は主に Ni3Ti、Fe2Ti 相と少量の FeTi、γ、FeCr 相で構成されています。最初に液相でNi3TiとFe2Tiが形成され、その後、包晶反応L + Fe2Ti → FeTiと共晶反応L → Ni3Ti + γによって少量のFeTi相とγ相が形成されます。さらに、Cr元素は局所的に凝集して少量のFeCr相を形成します。

オリジナルリンク: https://doi.org/10.1016/j.matchar.2024.114183

MC、大連理工大学：レーザー積層造形における Ti6Al4V-インコネル 718 傾斜材料の金属間相転移メカニズム

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