ノースウェスタン工科大学トップジャーナル丨レーザー積層造形法によるほぼ等軸結晶粒のTi60チタン合金とその微細構造および引張特性

出典: Additive Manufacturing Master and Doctor Alliance

レーザー積層造形法で製造されたLAMチタン合金の微細構造は、主にエピタキシャル成長した柱状結晶で構成されており、強度が高く、可塑性が低く、異方性が明らかです。レーザー積層造形法で形成されたチタン合金部品や修理部品の総合的な機械的特性は、使用要件を満たすのが困難です。レーザー積層造形法によって製造されたチタン合金微細構造の等軸粒子を実現することは、この問題を解決するための重要な手段です。

西北工業大学の陳静教授らの研究チームは、わが国が独自に開発した近αチタン合金Ti60を研究対象とし、粉末供給によるレーザー直接エネルギー堆積法で製造されたTi60チタン合金の等軸結晶粒と常温引張特性に焦点を当て、積層造形されたTi60チタン合金の微細構造進化法則と機械的特性への影響メカニズムを明らかにし、実用化に向けた理論的根拠と実用的根拠を提供した。関連する研究成果はJMST誌に掲載されています。

本研究では、プロセスパラメータを制御することで、ほぼ等軸のβ粒構造を持つTi60チタン合金のレーザー積層造形を実現しました。複数の成分の影響を考慮したTi60チタン合金のCET曲線を確立し、溶融池凝固過程の温度場の数値シミュレーションと組み合わせて、近等軸粒組織の形成メカニズムを明らかにしました。凝固温度範囲 𝛥𝑇𝑓 は、成長阻害係数 𝑄 と比較して、さまざまな種類のチタン合金の等軸粒形成傾向をより適切に予測できると提案されています。レーザー積層造形されたほぼ等軸の Ti60 合金の機械的特性の異方性は低減され、堆積方向に沿った α 相のサイズの変化が、横方向および縦方向の試験片における室温引張特性の差の主な原因です。

論文のハイライトは次のとおりです。
Ti60 チタン合金微細構造のほぼ等軸の β 粒子は、処理パラメータを調整するだけでレーザー付加製造によって実現されました。
凝固温度範囲 𝛥𝑇𝑓 によって、さまざまなチタン合金の微細組織の等軸傾向をより正確に予測できると提案されています。
レーザー積層造形法で製造された Ti60 チタン合金の室温引張機械的特性の異方性が大幅に低減

ほぼ等軸のβ粒子と粒内下部構造<br /> 微細構造観察により、レーザー積層造形法で製造されたTi60チタン合金の近等軸結晶構造の主な特徴は、短い棒状の柱状結晶と微細な等軸結晶が交互に出現することであることがわかりました。柱状結晶のエピタキシャル成長は隣接するクラッド層間で制限されており、平均粒径は80.3μmです。さらに、レーザー積層造形プロセスの独特な熱サイクル特性により、粗い初期 α ラメラと微細な二次 α ラメラを含む層状構造が形成されます。

レーザー積層造形法で製造された Ti60 チタン合金の微細構造
EBSD試験結果（a）と初期β粒子の再構成（b）
室温引張特性と破壊メカニズム<br /> 室温引張試験の結果、レーザー積層造形法で形成された Ti60 チタン合金の横方向および縦方向試験片の両方の室温引張特性が鍛造基準を満たすことができ、前者の室温引張特性が後者の室温引張特性よりも優れていることが示されました。さらに、ほぼ等軸の微細構造により、成形部品の室温引張強度の異方性が大幅に減少しますが、成形部品の可塑性には依然として明らかな違いがあります。この機械的特性の違いの主な理由は、縦方向の試験片は堆積方向に沿って不均一な微細構造（主にα相のサイズに反映される）を持つのに対し、横方向の試験片の微細構造は比較的均一であるためです。公式アカウント「Additive Manufacturing Master and Doctor Alliance」をフォローして、付加製造の研究とエンジニアリングの応用に焦点を当てた大量の付加材料を無料で入手しましょう。

レーザー積層造形法で製造された Ti60 チタン合金の室温引張特性。レーザー積層造形法で製造された Ti60 チタン合金の堆積サンプルの異なる高さにおける α ラスの形態: (a) 下部、(b) 中央、(c) 上部、(d) α ラス幅とビッカース硬度の関係。
等軸β粒組織の形成メカニズム<br /> 数値シミュレーション研究と組み合わせると、溶融池の溶融および凝固プロセス中に、粒子は底部の柱状から上部の等軸形状に徐々に変化します。本研究で選択されたレーザー処理パラメータは、各堆積層の上部に形成された等軸結晶構造を良好に保持することができ、それによって柱状結晶構造の連続的なエピタキシャル成長を効果的に妨げ、より理想的な近等軸結晶微細構造を得ることができます。

(a) 凝固中の溶融池の異なる位置における温度場のシミュレーション。(b) 溶融池の局所深さ 𝑧 による温度勾配 𝐺 と凝固速度 𝑉 の変化（𝑧 = 0 は表面に相当）。(c) レーザー積層造形法で製造された Ti60 チタン合金のほぼ等軸の粒組織の形成の模式図。
Ti60 チタン合金の CET 曲線と、溶融池凝固のさまざまな瞬間に対応する凝固条件。
さまざまなタイプのチタン合金の凝固温度範囲と成長阻害係数、および対応する結晶粒特性。
要約と展望<br /> 本研究では、レーザー積層造形（LAM）技術に基づき、近似等軸結晶構造を有するTi60（Ti-5.7Al-4.0Sn-3.5Zr-0.4Mo-0.4Si-0.4Nb-1.0Ta-0.05C）チタン合金を作製し、レーザー積層造形プロセスにおける等軸結晶の形成メカニズムを明らかにし、組成過冷却ゾーンの特性パラメータを解析することで凝固温度範囲に基づいてチタン合金中の等軸結晶の形成傾向を予測する方法を提案し、レーザー積層造形におけるチタン合金の等軸β粒を制御する方法、すなわち積層造形プロセスにおけるレーザー加工プロセスパラメータ（レーザー出力、スキャン速度など）をリアルタイムで変更することで、クラッド層上部に形成される等軸結晶構造を制御して柱状結晶のエピタキシャル連続成長を妨げ、近似等軸結晶微細構造を得る方法を開発した。

論文DOI: 10.1016/j.jmst.2021.03.012

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