航空宇宙用途向けチタン合金の積層造形：加工、微細構造、機械的特性

出典: 揚子江デルタG60レーザーアライアンス

インドのアムリタ大学機械工学部、韓国科学技術院（KAIST）原子力量子工学部、チェコ共和国のオストラバ工科大学（VŠB）機械工学部の研究者らが、航空宇宙用途のチタン合金の積層造形に関する研究の進捗状況（プロセス、微細構造、機械的特性）を検討した。「航空宇宙用途向けチタン合金の付加製造：プロセス、微細構造、機械的特性に関する洞察」と題する関連論文が、Applied Materials Today に掲載されました。

要点:
1. チタン合金の付加製造技術と、従来の製造方法に対するその利点について深く理解します。
2. チタン粉末の構造、サイズ、分布は、積層造形中の微細構造の進化に影響を与えます。
3. プロセスパラメータを正確に制御することで微細構造を調整し、理想的な性能を得ることができます。
4. 航空宇宙用途におけるチタン合金の性能と微細構造の関係は、プロセスパラメータによって大きく影響されます。

航空宇宙部品用チタン合金の付加製造の進歩は航空宇宙分野に革命をもたらし、新しい製造技術を導入し、設計の柔軟性、リードタイムの短縮、コスト効率の点で並外れた利点をもたらしました。チタン合金は軽量用途において優れた機械的特性を持っていますが、従来の製造プロセスでは材料利用率は高くありません。航空宇宙用途のチタン合金の従来の機械加工では、機械加工中の工具の摩耗、購入から飛行までの比率の高さ、複雑な構造物の製造の難しさなど、大きな課題に直面しています。金属積層造形は、購入から飛行までの比率が向上し、経済的な方法で適切な材料利用を実現できるため、航空機部品の製造にとってより良い選択肢となっています。チタン合金の付加製造に関するこれまでの研究は、主にこれらの制限を克服し、チタン合金を複雑な航空宇宙部品に効率的に使用できるようにすることに重点が置かれてきました。
この研究の目的は、付加製造をレビューし、プロセスパラメータと微細構造の変化および機械的特性との間の複雑な関係を調査することです。これらには、プロセスパラメータが AM コンポーネントの疲労性能、引張強度、残留応力、耐腐食性、微細構造の進化に与える影響が含まれます。第四次産業革命 (4IR) とスマート製造、デジタルツイン、自動化プロセスなどの付加製造を組み合わせることで、チタン合金部品の効率と品質を向上させることができます。この実装により、航空宇宙産業の要件と仕様に応じたカスタマイズされた設計、微細構造の操作、機械的特性の最適化、および迅速なプロトタイピングが可能になります。付加製造されたチタン合金は航空宇宙産業で大きな進歩を遂げていますが、その潜在能力を最大限に引き出すにはさらなる研究が必要です。このレビューでは、プロセス制御と材料特性の進歩により軽量で高性能なコンポーネントを提供することで航空宇宙分野に革命を起こす可能性と、積層造形されたチタン合金を航空宇宙用途で最大限に活用する可能性に焦点を当てています。

図 1。 (a) 電子ビーム粉末床溶融結合 (EB-PBF) プロセスで製造された Ti-6Al-4V ブラケット、(b) レーザー粉末床溶融結合 (L-PBF) プロセスで製造された多孔質 Ti-6Al-4V、(c) EB-PBF プロセスで製造された Ti-6Al-4V バルブロッカーアーム、(d) チタンストリップで作られた航空機キャビンドアのバランスクロックスプリング、(e) B-777 エンジンの β-21s チタンテールプラグ、(f) γ 合金で作られた GEnx エンジン低圧タービン (LPT) ローターブレード、(g) GEnx エンジン LPT ローターブレードに使用されるディスクのクローズアップ、(h) チタンガスタービンブレード、(i) 粉末床積層造形プロセスで製造されたさまざまな複雑構造の部品、(j) チタン航空機サイドパネル、(k) チタン航空機エンジンフロントフレーム。
図 2. (a) レーザー粉末床溶融結合法 (L-PBF)、(b) 電子ビーム粉末床溶融結合法 (EB-PBF)、(c) 直接エネルギー堆積法 (DED)、(d) ワイヤアーク積層造形法 (WAAM)、(e) バインダージェット積層造形法 (BIJM) の概略図。
図 3. レーザーエンジニアリングネットシェーピング (LENS) で製造された Ti-6Al-4V の顕微鏡写真 (a) 低出力 (LP) 製造 (b) 高出力 (HP) 製造 (c) 低出力で製造された Ti-6Al-4V 針状 α' 相 (d) 高出力で製造された Ti-6Al-4V α' 相と α 相の混合物 (e) ミリングアニーリング後の基板。
図4. WAAM によってさまざまな場所で製造された Ti-6Al-4V の顕微鏡写真。
図5. 鍛造（a、b）およびL-PBF製造（c、d）Ti-6Al-4V棒の縦方向の光学顕微鏡および走査型電子顕微鏡（SEM）画像。
図6. 鍛造（a）およびL-PBF製造（b）Ti-6Al-4V棒の横方向顕微鏡写真。
図7. a) 金属組織面の走査技術と参照。(b) 縦方向表面の光学顕微鏡写真。横断面の光学顕微鏡写真とSEM顕微鏡写真はそれぞれ(c)と(d)に示されています。
図 8. 印刷された状態の相組成とサンプルの微細構造分析: (a) 示差走査熱量測定 (DSC) 曲線と (b) 相組成 X 線回折 (XRD) スペクトル。 (ce) 反射電子像。 (c) S1′ の等軸 α 粒 (d) S2′ の針状 α 粒 (e) S3′ の β 粒間で微細化された針状粒 (fg) 粒界の連続した幅を示す S2 (f) と S3 (g) の走査透過型電子顕微鏡 (STEM) 画像。
図9. 異なるサイズ、配向、製造方法によるTi6Al4Vサンプルの引張特性。破線は鍛造合金の特性に対応します。
図10. サンプルの機械的特性は次のとおりです。(a) 工学的応力-ひずみ曲線。 (b) 真の応力-ひずみ線図と代表的なひずみ硬化率曲線。 (c) S1の延性破壊には大きなディンプルが見られる。 (d) S2延性破面には少数の小さなディンプルが見られる。 (e) S3破面は滑らかな劈開面と小さなディンプルで構成されています。 (fh)ストレッチ。
図 11。さまざまなチタンベース合金の応力-ひずみ曲線。(a) さまざまな成形高さで電子ビーム粉末ベッド溶融結合法 (EB-PBF) で製造された Ti6Al4V、(b) 準静的条件下での Ti-5553 と Ti-55,511 の引張特性、(c) TC11-1.0Nd と 3 つの純粋な TC11 試験片の比較、(d) バインダージェッティングで 3D プリントされた Ti6Al4V サンプル、(e) レーザー粉末ベッド溶融結合法 (LPBF) およびレーザー粉末ベッド溶融結合法とレーザー衝撃処理を組み合わせた (LPBF LSPwC) 試験片。
軽量でコスト効率が高く、強力な部品の製造に対する需要が高まっているため、積層造形は航空宇宙部品の製造における革新的な技術となっています。この技術は、廃棄物を削減し、生産時間を短縮しながら、複雑な形状やサイズの構造を高精度で製造できるため、航空宇宙用途に重要な意味を持ちます。チタン合金は、優れた強度対重量比、耐腐食性、高温性能、耐疲労性を備えているため、この分野で重要な役割を果たします。これらの材料は、胴体構造、内部機器、航空機着陸装置、フロントベアリングシート、コンプレッサー、タービンブレード、ガイドベーン、ディスク、油圧パイプ、エンジンファンブレードなど、さまざまな航空宇宙部品に広く使用されています。チタンは、非常に複雑で強力な部品を製造できるため、航空宇宙用途において効率性と耐久性に優れています。

レーザー粉末ベッド溶融結合 (L-PBF) や電子ビーム粉末ベッド溶融結合 (EB-PBF) などの粉末ベッド溶融結合 (PBF) 技術は、より小型で中空のサポートフリー構造、高い寸法精度、良好な表面仕上げを備えた複雑な部品の製造に適しています。これらの特性は、表面の完全性と精度が重要となる航空宇宙用途にとって非常に重要です。 PBF テクノロジーにより、非常に複雑な格子設計の製造が可能になり、材料の無駄が削減され、プロセスパラメータをより適切に制御できるため、部品のパフォーマンスが向上します。レーザーエンジニアリングネットシェーピング (LENS) や直接金属堆積 (DMD) などの直接エネルギー堆積 (DED) 技術は、より大型で複雑でない部品の製造や、高価で価値の高いコンポーネントの修理に適しています。 DED 技術は、特定の領域に材料を堆積させ、タービンブレードや重要なコンポーネントの摩耗した領域の修復など、高価な航空部品の組み立てや修理を行うことができるため、持続可能な航空宇宙事業において重要な役割を果たします。

積層造形技術には大きな可能性があるにもかかわらず、部品の機械的特性と安全性を確保し、特に部品の残留応力、多孔性、異方性の問題を解決するために、部品は熱処理や表面仕上げなどの後処理と最適化技術を経る必要があります。しかし、航空宇宙産業における AM 技術の実用化は、エアバスやボーイングなどの大手メーカーによる採用を通じて実証されています。これらの企業は、ヒンジブラケット、軽量タービンカバードアヒンジ、燃焼室の構造ジャケットなど、さまざまなコンポーネントに積層製造技術を適用しています。これらのアプリケーションは、高精度の航空宇宙部品の製造におけるこの技術の有効性を浮き彫りにしています。
航空宇宙産業におけるチタン合金付加製造の現在の役割を考慮すると、材料特性、表面の完全性、およびプロセスの最適化には、まだ改善の余地があります。これにより、重要な航空宇宙部品における積層造形技術の適用範囲が広がります。

論文リンク:
https://doi.org/10.1016/j.apmt.2024.102481

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