北京航空航天大学の邱春雷教授チーム「AM」：チタン合金中の溶質原子クラスターの形成メカニズムと機械的特性への影響

はじめに：この記事では、北京航空航天大学のQiu Chunlei教授チームの研究者が、世界トップの付加製造ジャーナルAdditive Manufacturing（インパクトファクター：11）に掲載した論文「レーザー粉末床溶融結合法で製造されたチタン合金における溶質のクラスタリングとその役割」を紹介します。論文の第一著者はChen Xu博士であり、責任著者はQiu Chunlei教授です。

まとめ

近年、研究者らは、高濃度固溶体合金において、局所的に化学的に秩序だったドメイン、原子クラスター、および組成変動を発見しました。これらの構造的特徴により、合金は優れた強度と塑性の組み合わせを実現できます。チタン合金中の原子クラスターについてもいくつかの報告があるが、それが機械的特性に及ぼす影響の法則やメカニズムはまだ不明である。最近、北京航空航天大学の邱春雷教授のチームは、独自に設計・開発した積層造形法による準安定βチタン合金中に高密度ナノ溶質原子クラスターの存在を発見した。分子動力学シミュレーションと高度な特性評価を通じて、溶質原子クラスターの形成メカニズムとそれが合金の強度と可塑性に与える影響を研究しました。さらに、研究者らは、選択的レーザー溶融中の新しい準安定βチタン合金の複雑な微細構造の進化についても研究しました。研究では、溶質原子クラスターの形成が合金系の結合エネルギーの低減に役立つことが判明しました。変形プロセス中、溶質原子クラスターは転位の動きを効果的に妨げ、変形抵抗を増加させると同時に、転位の貫通を可能にし、良好な強塑性の組み合わせを生み出します。溶質原子クラスターと組成変動の存在により、マトリックスは交互にナノスケールの引張および圧縮ひずみ場を形成し、転位の動きを効果的に妨げ、強度の向上に役立ちます。原子クラスターと超微細非熱的  析出相の存在により、固溶体チタン合金は超高降伏強度 (> 1.2GPa) を実現します。この研究では、印刷された準安定チタン合金に形成されたα相は、積層造形の熱サイクル中に形成されたことも判明しました。

キーワード: チタン合金、選択的レーザー溶融、原子クラスター、化学組成変動、引張特性

研究者らは、選択的にレーザー溶融された Ti-Fe-Co-Mo 合金の単一チャネルサンプル、単一層サンプル (図 1 参照)、バルクサンプルの微細構造の進化を比較しました。単一チャネルサンプルの微細構造は β 粒子と無熱 ω 相で構成され (図 2a-c)、単一層サンプル (複数の溶融チャネルが重なり合って形成) には少量の α 相と大量の ω 析出相が含まれていることがわかりました (図 2d-i)。バルクサンプルでは、多数の α ラティスと等温 ω 相が形成されました (図 3a-c)。印刷されたバルクサンプルに形成された α 相と等温 ω 相は、どちらも積層造形プロセスにおける熱サイクルの結果であることがわかります。これらのサンプルのマトリックスでは、Mo/Fe/Co 原子クラスターも観察されました。

図 1 選択的レーザー溶融と FIB サンプリングによるシングルパスおよび単層サンプルの SEM 顕微鏡写真図 2 選択的レーザー溶融による Ti-Fe-Co-Mo 合金の (ac) シングルパスサンプルと (di) 単層サンプルの透過型電子顕微鏡結果図 3 選択的レーザー溶融による Ti-Fe-Co-Mo バルクサンプルの (ac) 微細構造と (df) 溶体化処理による Ti-Fe-Co-Mo 合金の微細構造β 相領域で溶体化処理を行った後、Ti-Fe-Co-Mo 合金には β 相のみが存在し、熱い ω 相は存在しません (図 3d-f)。 3次元原子プローブを使用してマトリックスを分析したところ、合金内に高密度の溶質原子クラスターが存在し、クラスター内の溶質原子の数は4〜35個であることがわかりました（図4）。溶質原子クラスターの存在も、マトリックス内の組成の変動を引き起こします。分子動力学シミュレーションにより、合金は凝固中に原子クラスターを形成できることも判明しました (図 5)。原子クラスターの形成は合金系の結合エネルギーを低減するのに役立ちます。

図4 Ti-Fe-Co-Mo合金中の溶質原子クラスターと組成分布の3次元原子プローブ分析結果図5 分子動力学シミュレーション研究は、Ti-Fe-Co-Mo合金中に溶質原子クラスターが存在することを示しています。固溶体状態の合金が変形すると、転位と溶質原子クラスターが複雑な相互作用を起こします。原子クラスターは転位の動きを効果的に妨げ、転位が原子クラスターをせん断するために必要なせん断応力を増加させます（図6）。原子クラスターと組成の変動は、マトリックス内の原子ひずみ場にも変動と歪みを生じさせ (図 7)、交互に引張ひずみ場と圧縮ひずみ場を形成し、局所的な内部応力が大きくなり、転位の滑りを妨げて合金の強度を高めることができます。さらに、原子クラスターは転位の動きを完全に防ぐわけではありません。せん断応力が一定の値に達すると、転位は原子クラスターを切断して滑り続けるため、合金は良好な可塑性を得ることができます。合金中の非熱的  析出相も優れた強化の役割を果たします。これにより、合金は固溶体状態で超高降伏強度（＞1.2 GPa）と良好な可塑性（伸び＞10%）を実現できます（図8）。さらに、この合金は高い加工硬化率を示します。

図6 移動する転位と溶質原子クラスターの相互作用の分子動力学シミュレーション図7 合金の組成変動によって引き起こされる原子ひずみ場の変動（引張ひずみ場と圧縮ひずみ場の交互分布）
図8 (a) 工学応力-ひずみ曲線と(b) 固溶体Ti-Fe-Co-Mo合金の真応力-ひずみ曲線。この研究は、積層造形されたチタン合金における溶質原子クラスターと組成変動の存在を発見した初めての研究であり、溶質原子クラスターの形成メカニズムとそれが合金の機械的特性に与える影響を明らかにしています。この研究の成果は、チタン合金の強度と可塑性の相乗的向上への新たな道を切り開き、新しい高強度・高靭性チタン合金の設計に新たなアイデアを提供した。

論文引用形式: X. Chen、Y. Liu、J. Eckert、RO Ritchie、CL Qiu。レーザー粉末床溶融結合法で作製したチタン合金における溶質のクラスタリングとその役割[J]。Additive Manufacturing、2024、87: 104243。

オリジナル記事のダウンロードリンク: https://doi.org/10.1016/j.addma.2024.104243

北京航空航天大学の邱春雷教授チーム「AM」：チタン合金中の溶質原子クラスターの形成メカニズムと機械的特性への影響

サンディテクノロジーの3Dプリント補聴器は、2019年の年間最優秀製品に選ばれ、2019年のブラックテクノロジーTOP20にランクインしました。

ScanTech、大型ワークや複数ワークの同時スキャンに対応したrackScan-Sharpトラッキング3Dスキャンシステムをリリース

新しい固体振動技術、3Dプリントにより1万年間の音を記録可能

添加剤粉末サプライヤーのTeknaは、2023年第3四半期の売上高と収益性の大幅な成長を報告しました。

ニュージーランドは兵士のデータを収集するために100万ドルの3Dスキャナーを使用している

8月26日、杭州、バイオデザインと製造（3Dプリンティング）、バイオマテリアルに関する国際会議（BDMC2018）

HP 3D プリンターマニュアル

3Dプリンティングに関する議論：3つの応用方向と4つのリスク

インドは3Dプリントモデルを使用して、精巧な観光宣伝広告を作成

ノースウェスタン工科大学: 均一な金属液滴噴射に基づく 3D 印刷技術

推薦する

Chuangxiang 3D: 3D プリントのイノベーション、夢を現実に変える

ブラックテクノロジー！ 3Dプリントカプセルに封入されたマイクロバイオバッテリー

広東科恒、創翔3D、江河新材料が協力し、新たな3Dプリント高速製造プラットフォームを構築

12兆ドル規模の製造業への賭けにおいて、HPは3Dプリンティング界のAppleとなるのでしょうか？

SOLIDWORKS Simulation 2018 のハイライト: 新しいトポロジースタディ機能

メッセ・フランクフルトがロシア最大の3Dプリント製造技術展示会「ロスモールド」を買収

値段はなんと18,000円もします！ベルギーが環境に優しい3Dプリント電動自転車を発売：最大100km走行可能

2025 年の産業用付加製造のトレンド: 慎重な楽観主義を伴う実用的なイノベーション

ドイツの鉄道が3Dプリント部品を使用

GE Researchは3Dプリントを使用して超熱交換器を製造し、耐熱性を250°C向上させました。

《JMST》：引張強度最大600MPa！超高強度アルミニウム合金を製造するワイヤーアーク積層造形技術

Ruilan C100 3Dプリンターが発売、Androidスマート電子制御がトレンドをリード

アップグレード！プロト・ラボがポリジェット3Dプリントサービスを追加

プレビュー：2017年9月22日、青島で第2回中国国際3Dプリントフェスティバルが盛大に開幕

レースと自動車分野における3D計測と3Dプリント技術の応用に関する詳細な分析