積層造形チタンベースピラミッド格子構造によるマグネシウム/チタン複合材料の界面強化の最適化

出典：中国非鉄金属学会誌

マグネシウム合金は、軽量、高強度、高減衰、優れた電磁シールド性能などの利点がありますが、高温性能が不十分、耐腐食性が低く、絶対強度が低いため、その応用範囲が制限されます。それに比べて、チタン合金は絶対強度が高く、耐腐食性に優れ、高温性能に優れているという利点があります。信頼性の高いマグネシウム/チタン合金の複合材料は、それぞれの性能特性を最大限に維持しながら、単一材料の性能の欠点を克服することができます。しかし、マグネシウム合金とチタン合金の結合は、反応が弱く、相互溶解度が低く、MgとTiの物理的および化学的特性に大きな差があるために制限されています。液体と固体の複合鋳造は、複雑な輪郭と内部構造を持つ複合鋳造品を低コストで製造することができます。現在、複合鋳造によって製造されたマグネシウム/チタン複合金属の界面形態は、主に単純な平面に近い接続であり、界面の結合強度をさらに向上させる必要があります。固相金属の表面処理は、界面強化の一般的な手段です。本論文では、選択的レーザー溶融によって作製されたチタンベースのピラミッド格子構造を界面に使用して、マグネシウム/チタンの二金属界面接合を強化します。有限要素解析と複合鋳造実験を組み合わせることで、ロッドの直径 2 mm の範囲内で格子構造パラメータが最適化されました。格子構造のアスペクト比がマグネシウム/チタンバイメタルの界面結合強度に与える影響を詳細に分析し、マグネシウム/チタンバイメタルの複合鋳造界面強化の新しい方法の理論的基礎を確立しました。

本研究では、積層造形格子構造を界面に使用して、マグネシウム/チタン二金属液体固体複合鋳造物の界面結合を強化し、格子構造パラメータを最適化し、格子構造パラメータがマグネシウム/チタン二金属界面結合に与える影響の順序を明らかにし、最も重要な因子であるアスペクト比が界面結合強度に与える影響を明らかにしました。

図 1 (a) は、異なるアスペクト比での Mg/Ti バイメタルの接合強度を示しています。アスペクト比が増加すると、バイメタルの接合強度は最初は増加し、その後減少することがわかります。ユニットセルモデルで強化Ti格子の相対体積率（vol%）を計算すると、体積率（vol%）の増加に伴って、二金属結合強度は最初は増加し、その後減少しますが、これは複合材料混合法則の結果を計算して得られた法則と一致しません。図 1 (b) は、異なるアスペクト比での Mg/Ti バイメタルの破壊形態を示しています。アスペクト比が増加すると、バイメタルの破壊形態が Mg の破壊から Ti ロッドの破壊に変化することがわかります。 Mg の主な破壊形態は、Ti によって 2 つの部分に「分割」されることであり、Ti ロッドの主な破壊形態は、下ノードの根元でのせん断破壊です。故障モードと組み合わせると、図1(a)の故障強度の転換点の理由は故障モードの変化であることがわかります。

図1 (a) アスペクト比l/dsがバイメタルの破壊強度に与える影響と(b) アスペクト比l/dsがバイメタルの破壊形状に与える影響。アスペクト比3の格子構造を例に、Mg/Tiバイメタルの引張変形プロセスを解析します。 TiとMgの特性の違いにより、バイメタルの変形プロセスは、図2に示すように、大まかに4段階に分けられます。変形開始時、非常に小さい引張変位（u1=0.027 mm）内で、TiとMgは最初に弾性変形を起こします。このとき、引張応答曲線は直線的に増加します。対応する応力雲図を図2（b）u1に示します。界面が分離しておらず、ロッドの根元に応力集中が発生していることがわかります。 Mgの弾性率と降伏強度はTiに比べてはるかに小さいため、伸張プロセスが進むにつれて、変位がu1より大きい場合、TiとMgの相互作用により接触圧力が徐々に増加し、ロッドの下のMgマトリックスのミーゼス応力は88〜120MPaになります。Mgの降伏応力（89MPa）を超える部分は最初に塑性変形を起こし、これが混合変形の2段階目になります。伸張が進み、変位が 0.113 mm を超えると、図 2 (b) u2 に示すように、Ti ロッドの根元、Mg と接触しているロッドの上面、および上部ノードの底部での Mises 応力はおよそ 970 ～ 1100 MPa になり、局所的に Ti の降伏応力 (940 MPa) を超えますが、常にその強度限界を下回り、つまり、ひずみ硬化が支配的な第 3 変形段階に入ります。引張変形プロセスが続くと、ロッドと接触しているMgの大部分が塑性変形を起こします。引張変位u3 = 0.301 mmのとき、支持力が限界に達し、応答曲線にピークが現れます。応力コンターは図2（b）u3に示されています。このとき、界面は完全に分離しています。 Mgが柔らかくなり始めます。伸張を続けると、進行性損傷段階に入り、応答曲線は低下し始めます。変位が0.347 mmになると、図2（b）u4に示すように、Mgはチタンによって完全に2つの部分に「分割」されます。

図 2 (a) 引張曲線における破壊プロセスの 4 つの段階の応答。(b) 4 つの変形段階に対応する応力クラウド図。バイメタルの変形プロセスに基づいて、簡略化された機械解析モデルを確立できます。図3は、Mg/Tiバイメタルの伸張時の簡略化された機械解析モデルです。伸張プロセス中、Ti格子構造の底部は固定され、Mgは垂直上方に移動します。図2の格子構造の幾何学的特徴と変形プロセスの応力分布雲図によると、ロッドユニットが下部ノードに接続されるセクションは危険セクションであることがわかります。格子構造は空間対称性を有しており、図3（b）に示すように、一本の棒を研究対象として、危険部分の力学方程式を確立し、定性的な分析を行うことができる。引張変形過程において、バイメタルの界面における応力伝達は比較的複雑である。ロッドの力解析を簡略化するために、バイメタルの相互作用によって発生するすべての力を合力Fzに変換する。Fzは上部ノードの球中心点Oに作用し、ロッドが上方変位uを起こすと仮定する。下部ノードは基板に剛体接続されているため、ロッドは片持ち梁とみなすことができ、主にせん断力FSと曲げモーメントMによる曲げ変形と軸力FNによる引張変形を受ける。危険部の応力式は、丸棒の変形式に基づいて、式（1）に示すように得ることができる。傾斜角が同じ場合、アスペクト比の増加はロッド径の減少を意味します。式（1）から、断面応力はロッド径に反比例することがわかります。したがって、アスペクト比が増加する（ロッド径が減少する）と、ある値までロッドが破損し、格子構造の支持力が低下し、バイメタルの接合強度が低下します。

ここで、δmax は危険部分の応力、FZ は簡略化された合力、ds はロッドの直径、ω はロッドユニットの傾斜角、x は危険部分から上部ノードの中心までの距離です。

図3 Mg/Tiバイメタルユニットセルモデルの模式図とロッドの簡略化された力解析：（a）Mg/Tiバイメタル3次元ユニットセルモデル、（b）ABCDセクションの2次元模式図、（c）単一ロッドの力解析の模式図。図4（a）〜（c）に示すように、選択的レーザー溶融（SLM）技術を使用して、アスペクト比が2、3、および5のTC4格子構造を準備し、次に超音波振動アシスト鋳造を使用してAZ91Dと複合し、注入温度は730°Cでした。図4(d)～(f)は、異なるアスペクト比のMg/Ti複合金属の概略断面図である。明らかな穴は見られず、超音波支援鋳造法によりAZ91DとTC4がうまくフィットすることがわかる。

図4 (a)-(c) SLMによって作製された異なるアスペクト比の格子構造。(d)-(f) 異なるアスペクト比のMg/Tiバイメタルの概略断面図。
図5は、異なるアスペクト比でのバイメタルの引張試験結果を示しており、図5（a）は荷重-変位曲線を示し、図5（b）はバイメタルの破壊強度の比較を示しています。実験結果から得られた破壊強度の変化傾向は、シミュレーション結果から得られた法則と一致していることがわかります。アスペクト比が 3 の場合、実験的に得られたバイメタルの破壊強度は 77.3 MPa であり、シミュレーションによる強度よりも 56 MPa 高くなります。これは、シミュレーション中は格子構造の表面が滑らかな表面であるが、実際には、SLM によって準備された格子構造の表面は、未溶融粒子の堆積によりある程度の粗さがあり、それが界面の摩擦抵抗を増加させ、界面の結合強度の向上に有益であるという事実に起因します。

図5 バイメタル引張試験結果: (a) 荷重-変位曲線、(b) 破壊強度の比較
研究の結論(1) SLM を用いて格子構造を作製すると、Mg/Ti バイメタルの液体-固体複合鋳造界面の接合が強化されます。最適な格子構造パラメータは、ロッド径 (ds) 1 mm、アスペクト比 (l/ds) 3、ノード比 (dn/ds) 2.5 です。最適な格子構造パラメータでは、Mg/Ti バイメタルの接合強度は 77.3 MPa です。

（２）格子構造のアスペクト比（ｌ／ｄｓ）は、界面接合に最も大きく影響する因子である。実験結果と有限要素解析結果の両方から、アスペクト比（ｌ／ｄｓ）が増加すると、バイメタルの接合強度は最初は増加し、その後減少することがわかった。アスペクト比（ｌ／ｄｓ）が３のとき、界面接合強度は最大に達する。

（３）Mg/Tiバイメタルの破壊モードは主に界面剥離、Mg破壊、Tiロッド破壊である。アスペクト比が大きくなると、ロッドとノードの接続部での応力集中により、破壊モードがMgマトリックス破壊からTiロッド破壊に変化する。

チームについて<br /> 趙建華教授、博士課程の指導者。同社は主に高性能アルミニウム・マグネシウム合金とその成形技術の研究に従事しており、中国国家自然科学基金、工業情報化部の新型知能製造モデルプロジェクト、寧夏自治区重点研究開発計画（重点プロジェクト）、重慶市の主要科学技術研究プロジェクトなど、50件以上の科学研究プロジェクトに携わっています。国内外の専門誌や会議で200本近くの学術論文を発表し、10件以上の発明特許を取得しています。中国教育部と重慶市から科学技術進歩一等賞、中国自動車産業から科学技術進歩二等賞など数々の賞を受賞。

准研究員の顧成氏は、軽合金凝固プロセスの統合計算材料工学の分野に従事しており、多成分合金凝固プロセスのマルチスケール結合シミュレーションと凝固微細構造の定量的特性評価について詳細な研究を行っています。中国国家自然科学基金青年基金プロジェクト、中国ポスドク基金総合プロジェクト、重慶工業デザイン基礎計画などの科学研究プロジェクトに承認され、50本以上のハイレベルSCIジャーナル論文を発表し、2件の認可された発明特許を取得しました。

ウー・ユアンビン、博士課程学生。研究分野は金属材料の表面と界面です。国内外の雑誌「Transactions of Nonferrous Metals Society of China」、「Metals and Materials International」、「Journal of Composite Materials」など、第一著者として5本の論文を発表しています。

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