AVIC他：600℃高温チタン合金の積層造形に関する研究の進展

出典: 航空材料ジャーナル

550～600℃の環境下で使用される先進的な航空機エンジン高圧コンプレッサーの重要部品には、600℃の高温チタン合金が緊急に求められています。しかし、成形が難しい複雑な部品や、傾斜・複合構造、統合機能を備えた部品の製造は、従来の鋳造、鍛造などのプロセス技術ではニーズや研究開発の要件を満たすことができません。積層造形は先進的な製造技術の代表的なもので、材料設計と製造の統合、複雑な設計とカスタマイズの統合など独自の利点があり、600℃の高温チタン合金の新材料/新技術の研究開発に新たな道を提供します。現在、国内外で、材料、プロセス、構造、性能の関係に着目し、積層造形による600℃の高温チタン合金の製造に注目が集まり始めています。

雑誌「Journal of Aeronautical Materials」に掲載された論文「600℃高温チタン合金の積層造形研究の進歩」では、まず600℃高温チタン合金の研究を簡単にレビューし、次にさまざまな積層造形プロセスにおける堆積状態と後処理状態の600℃高温チタン合金の微細構造特性に焦点を当てています。総合的な性能研究では、引張特性、クリープ特性、熱疲労特性、耐酸化性などの重要な特性を列挙して分析しています。複雑な設計/複合構造の章では、600℃高温チタン合金に基づく複合材料と傾斜構造の積層造形研究の進歩について説明しています。最後に、積層造形600℃高温チタン合金材料開発、複合プロセス探索、欠陥制御および性能評価基準確立の研究方向を展望した。今号のGu.コラムでは、この記事を簡単に紹介します。

600℃は従来の高温チタン合金の「熱障壁」温度と考えられており、この温度を超えると、クリープ性能、構造安定性、表面耐酸化性が使用要件を満たすことが難しくなります。 600℃高温チタン合金は、ニッケル基高温合金と比較して、低密度、高比強度、耐食性などの優れた利点を備えています。 550～600℃の環境下で使用される先進的な航空機エンジン高圧コンプレッサーの重要部品には、600℃の高温チタン合金が緊急に求められています。しかし、成形が難しい複雑な部品や、傾斜・複合構造、機能一体型部品などについては、従来の鋳造や鍛造などの加工技術ではニーズや開発要件を満たすことが困難です。

積層造形（AM）は、材料を「離散的蓄積」方式で層ごとに追加することで 3 次元オブジェクトを構築する革新的な製造技術です。従来のプロセスと比較して、積層造形はニアネットシェーピングと金型不要の生産を実現できるため、処理サイクルを短縮し、材料の利用率を向上させることができます。さらに、積層造形は複数の部品を統合して加工できるため、部品数と組み立てコストを削減できます。また、対応する修理技術を主要部品のメンテナンスに使用することで、部品を直接交換することで生じる経済的損失を回避できます。したがって、高温チタン合金の主要部品を製造するために積層造形技術を使用することは、高性能航空エンジン技術のさらなる発展を促進する上で重要な工学的価値を持っています。

積層造形された 600 ℃ 高温チタン合金の微細構造現在、600 ℃ 高温チタン合金の積層造形プロセスは、直接エネルギー堆積法と粉末床溶融法の 2 種類に分けられます。熱源に応じて、レーザー溶融堆積、電子ビーム溶融堆積、アークヒューズ堆積、レーザー選択溶融、電子ビーム選択溶融などのいくつかのプロセスにさらに分類できます。

付加製造中に高温チタン合金が経験する急速な加熱と冷却、および複雑な熱サイクル履歴により、粗い柱状結晶、層状構造、非平衡相など、従来のプロセスと比較して独特な微細構造が形成されます。

△図1 レーザー溶融堆積法で作製したTi60A合金の微細構造（a）低倍率、（b）高倍率材料系の観点から見ると、600℃の高温チタン合金はTi-Al-Sn-Zr-Mo-Si合金に属し、その積層造形組織にはシリサイド析出相も含まれることが多い。これらの微細構造は部品の使用性能にも影響を及ぼし、図 2 に示すように、部品に明らかな異方性と高強度、低塑性が生じることがよくあります。

△図2 電子ビーム溶融堆積法で作製した600℃高温チタン合金の微細構造均一な構造と良好な総合性能を得るために、プロセスパラメータを調整するほか、熱処理や熱間静水圧プレスなどの後処理によっても改善できる。さらに、一部の研究者は、積層造形を他の製造プロセスと組み合わせる可能性も模索しています。例えば、超音波衝撃強化は、添加剤コンポーネントの表面品質を向上させるだけでなく、柱状結晶から等軸結晶への変換を促進し、全体的な性能を向上させることができます。下の図は、レーザー溶融堆積法と超音波衝撃強化法（UIT）を組み合わせて作製したTi60合金の微細構造を示しています。堆積サンプルの下部と上部は等軸結晶で構成され、中央部分は粗い柱状結晶で構成され、部品内部に一定数の気孔が分布しています。超音波衝撃強化後、部品の表面粗さは60％減少し、内部の気孔サイズは小さくなり、粗い柱状結晶は破壊され、等軸結晶の数が増加し、表面にナノ結晶が形成されます。UITは部品の微小硬度を向上させ、内部の残留応力を減らし、引張応力を圧縮応力に変換します。

△図3 超音波衝撃強化前後のレーザー溶融堆積Ti60合金の微細構造（a）超音波衝撃強化前、（b）超音波衝撃強化後。
600℃高温チタン合金複合材および傾斜構造の積層造形<br /> 高温チタン合金の使用温度と総合性能をさらに向上させるために、カーボンナノチューブ、グラフェン、TiB、TiC、窒化物、LaB6などのさまざまなナノ材料、セラミック粒子、希土類化合物を強化相として使用してチタン合金の性能を向上させ、チタンベース複合材料の付加製造が広く注目されています。さらに、航空機エンジンコンプレッサーブレードの完全チタン化と航空機構造の統合の応用と開発に伴い、付加製造技術は二重チタン合金傾斜構造の研究開発にも応用されています。

開発の方向性<br /> 600℃の高温チタン合金の積層造形技術は研究段階では目覚ましい進歩を遂げていますが、依然としていくつかの課題に直面しています。たとえば、粉末の粒子サイズと粒度分布が添加剤コンポーネントの構造と性能に与える影響を調査し、添加剤製造を通じて新しい材料と新しい構造を開発し、新しい複合添加剤製造技術を調査し、添加剤製造の欠陥制御とインテリジェント検出技術を調査し、完全な性能評価基準と指標システムを確立します。さらに、製造コストのさらなる削減、生産効率の向上、品質管理および標準化レベルの向上も検討する必要があります。

結論わが国の2035年新材料強国戦略の実施により、積層造形チタン合金材料技術は革新的な発展の新たな段階に入りました。高性能先進航空エンジンの軽量化、サービス安全性、省エネ、低炭素化などの開発ニーズに応えて、従来の鋳造/鍛造チタン合金と新しい積層造形チタン合金の両方が継続的に開発されています。「新世代の材料、新世代のエンジン」。600℃の高温チタン合金とその複合材料/複合構造の付加製造に対する徹底的な研究により、技術の成熟度は絶えず向上しており、徐々にエンジンの重要な部分に応用され、我が国の将来の航空エンジン技術の飛躍的な発展を促進するのに役立ちます。

論文リンク: https://jam.biam.ac.cn/CN/10.11868/j.issn.1005-5053.2023.000106#6

論文引用形式<br /> Mi Guangbao、Tan Yong、Chen Hang、他600℃高温チタン合金の積層造形研究の進歩[J]。航空材料ジャーナル、2024、44(1):15-30。
MI Guangbao、TAN Yong、CHEN Hang、et al. 600 ℃ 高温チタンの積層造形の進歩
合金[J].航空材料ジャーナル、2024年、44(1):15-30。

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