科学: モリブデンナノ粒子を添加して3Dプリントアルミニウム合金の性能を向上

出典: Yanzhichengli

第一著者: Jingqi Zhang、Michael J. Bermingham
連絡先著者: マシュー・S・ダーガッシュ
担当部署：オーストラリア、クイーンズランド大学
出典:
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adj0141

サイエンス編集者ブレント・グロコルスキー氏のコメント：

レーザー粉末床融合技術は、カスタマイズされた金属構造を製造する機会を提供しますが、これらの物体の機械的特性には望ましくない変動が生じる可能性があります。 Zhang らは、通常のアルミニウム合金にモリブデンナノ粒子を添加することで、この問題の根本的な原因、つまり望ましくない析出物と柱状結晶に対処しました。ナノ粒子は対称的な粒子の成長を促進し、不要な相の形成を抑制します。レーザー粉末床溶融結合法で製造されたサンプルは機械的特性が向上しており、この設計戦略の可能性を示しています。

背景

3D プリントで製造された金属合金では、粗い柱状粒子と不均一な分散相が一般的に形成され、それらがもたらす不均一性と劣った機械的特性のため、一般的に望ましくないと考えられています。

研究上の疑問

この研究では、3D プリントから直接、一貫性のある強化されたパフォーマンスを得るための設計戦略を開発します。本研究では、Ti-5Al-5Mo-5V-3Crをモデル合金として使用し、モリブデン（Mo）ナノ粒子の添加により凝固中の結晶粒微細化が促進され、固体熱サイクル中の相異性の形成が抑制されることを実証しました。二機能性添加剤によってもたらされる微細構造の変化により、合金の機械的特性が均一になり、強度と延性の両方が向上します。この研究は、この合金の単一成分の改質によって望ましくない微細構造の問題に対処できる方法を実証し、3D プリントによって直接望ましい機械的特性を得る方法を提供します。

グラフィカル分析

図1 | L-PBFで作製したTi-5553の微細構造と機械的特性

要点:
1. この研究では、レーザー粉末床溶融結合法（L-PBF）で製造された製品の粒子構造と組成相を同時に制御することで、この課題に対処する設計戦略を示します。本研究では、粗大な柱状β粒と不均一な相分布が共存するTi-5Al-5Mo-5V-3Cr（Ti-5553）可変βチタン合金をモデル合金として選択した（図1A～C）。その結果、この研究で実証されているように（図 1D および E）、さまざまな 3D 印刷技術を使用した他の研究によって確認されているように、非常に不均一で、場所に依存する伸縮特性を持つ L-PBF が生成されます。
2. この研究では、Ti-5553粉末にβ異性体元素を1回（最大5.0重量％）添加して複合混合物を形成すると、次の2つの機能を実現できることを示しています。(i) 3D印刷プロセス中に、一部のMo粒子は部分的に溶融しますが、コアは生き残り、凝固中に微細粒子を形成し、粗い柱状粒子の形成を防ぎます。（ii）溶解したMo溶質はβ相を安定化し、固体熱サイクル中の等温ω相とα相の形成を抑制します。したがって、二機能性 Mo を添加することで微細構造が変化し、機械的特性の均一性が向上するだけでなく、強度と延性も同時に向上します。結論として、この設計戦略は、均一で強化された機械的特性を実現するための方法を提供します。

図2 | L-PBFで作製したTi-5553およびTi-5553+5Moの機械的特性：
1. 本研究では、機械的混合により Ti-5553 に 2.5 wt% および 5.0 wt% の Mo を添加し (それぞれ Ti-5553+2.5Mo および Ti-5553+5Mo と呼ぶ)、チタン合金の改良 L-PBF 処理パラメータを使用して、Mo 添加ありおよびなしの Ti-5553 部品を製造した。部品の寸法とサイズは熱履歴に影響し、ひいては部品の機械的特性にも影響することから、本研究では 2 種類の部品形状 (ドッグボーン型部品と直方体型部品) を使用して、Mo 添加が機械的特性に与える影響を評価しました。簡潔にするために、この研究では、特に明記しない限り、Ti-5553+5Mo の代表的なデータについて説明します。この研究では、Ti-5553 と Ti-5553+5Mo 試験片の引張工学応力-ひずみ曲線を比較しました (図 2A)。 Ti-5553 の引張特性の悪さと部品全体にわたる特性の大きなばらつきとは対照的に、Ti-5553+5Mo はより強力で均一な機械的特性を備えています。この研究では、ドッグボーン部品における Ti-5553+5Mo の機械的特性は、部品の形状の変化に関係なく、非常に一貫していることも判明しました。

2. 引張延性の異方性の程度を評価するために、Ti-5553+5Mo の引張延性データを、Ti-5553 および Ti-5553 からの化学組成の偏差が小さい類似合金、すなわち Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr-1Zr (Ti-55531) および Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe (Ti-55511) のデータと比較しました (図 2B)。一般的に、延性データポイントが青い破線から大きく逸脱している場合は、引張延性の異方性が高いことを示しています。 Ti-5553+5Mo は、Ti-5553 や類似の合金と比較して、明らかに高い等方性延性を示します。

3. この研究では、Ti-5553+5Moの降伏強度と破断伸びをTi-5553（およびTi-55531とTi55511）と比較しました（図2C）。製造時の状態の Ti-5553 および類似の合金と比較すると、Ti-5553+5Mo は同等の降伏強度を持ちながら、延性が大幅に高くなっています。通常、インプリント後の熱処理は、L-PBF で製造された Ti-5553 の機械的特性のバランスをとるために使用されます。特定の熱処理条件下ではより高い降伏強度 (> 1100 MPa) を達成できますが、通常、延性は大幅に低下し、破断伸びは 10% 未満になるため、安全性が重要となる用途での使用は制限されます。対照的に、Ti-5553+5Mo は、その後の熱処理なしで L-PBF から直接、強度と延性の優れたバランスを示し、強度と延性のスペクトルにおいて Ti-5553 や関連する類似の合金よりも際立っています。

図 3 | Ti-5553 および Ti-5553+5Mo の微細構造特性評価ポイント:
1. Mo添加が結晶粒構造に与える影響を明らかにするために、本研究ではTi-5553およびMoドープTi-5553の電子後方散乱回折（EBSD）特性評価を実施しました（図3）。 Ti-5553 の微細構造には、走査方向に沿った比較的大きな粒子 (図 3A、挿入図 1) と、構築方向に沿った粗い柱状 β 粒子 (図 3A、挿入図 2) が含まれており、強い結晶組織を示しています。 Ti-5553 に 5.0 wt % Mo を添加すると、粒子構造と関連する結晶学的組織が大幅に変化しました。
2. Ti-5553+5Moの走査軌道の端に沿って、多数の微細な等軸粒子（直径約20μm）が形成されました（図3B、インセット1）。対照的に、Ti-5553+5Moの微細構造は、構築方向に沿って微細な等軸粒子と狭い柱状粒子が存在することが特徴です（図3B、インセット2）。微細構造を注意深く観察すると、微細粒子と柱状粒子が周期的に分布していることがわかります。 Ti-5553 では、高度に組織化された柱状粒子が複数の層にまたがっていますが、Ti-5553+5Mo では、柱状粒子の長さスケールは溶融プールのサイズによって決まり、結晶組織はランダムかつ弱くなります。
3. 凝固プロセスにおけるMo添加の役割をより深く理解するために、本研究ではTi-5553とTi-5553+5Moの最上層に焦点を当てました。後続の層の堆積により微細構造に大きな変化が生じる部品の下部とは異なり、最上層は隣接するトラックの堆積により 1 回または数回の熱サイクルしか受けません。原理的には、この熱サイクルは下層で発生する熱サイクルよりもはるかに弱いため、最上層は凝固中のモリブデンの役割を知る手がかりとなります。この研究では、Ti-5553 の上面付近の微細構造 (図 3C) と Ti-5553+5Mo の上面付近の微細構造 (図 3D) の EBSD 逆極点図 (IPF) とカーネル平均方位差マップ (KAM) をそれぞれ示しています。 Ti-5553の上層は粗い柱状粒子（図3C）を示し、Ti-5553+5Moは微細な等軸粒子（図3D）が大部分を占めています。走査型電子顕微鏡 (SEM) - 後方散乱電子 (BSE) による Ti-5553+5Mo のさらなる特性評価により、等軸樹枝状結晶の中心にいくつかの粒子が明らかになりました (図 3E)。これは、結晶粒の核生成粒子の典型的な特徴です。このような粒子にはモリブデンが豊富に含まれており、SEM-EDX スペクトルでもそれが確認されています (図 3F)。

図4 | Mo粒子とチタンマトリックス間の界面のTEM特性評価とDICTRAシミュレーション要点:
1. これらのMoを多く含む粒子をさらに調査するために、本研究では、Moを多く含む粒子とチタンマトリックスとの界面でSEM-EDXと透過型電子顕微鏡（TEM）-EDXラインスキャンを実施しました（図4A）。 SEM-EDX を使用して得られた濃度プロファイルは、Mo 粒子から Ti マトリックスへの緩やかな遷移を示しており、これは TEM-EDX ラインスキャンによっても確認されました (図 4B)。さらに、高解像度TEM画像により、Moを多く含む粒子がTiマトリックスと完全に一致し、一貫した界面を有していることが明らかになりました（図4C）。
2. 本研究のSEMおよびTEM観察は、Mo粒子とTiマトリックスにまたがる遷移領域が結晶粒微細化プロセスにおいて重要な役割を果たしていることを示している。これらの特性評価は、L-PBF 中に凝固および固体状態の変化を経たサンプルに対して実行されたため、界面の遷移領域が溶融プール内で形成されたのか、凝固後の固体状態拡散の結果なのかは不明です。残念ながら、現在の実験技術ではこのプロセスを説明することができません。凝固中の Mo 粒子の溶解を理解するために、DICTRA (拡散制御変換) を使用して拡散シミュレーションを実行しました (図 4D)。

図5 | Ti-5553およびMoドープTi-5553の相分析要点:
1. モリブデンを添加すると、結晶構造が微細化されるだけでなく、固体微細構造の構成相も変化します。より大きな Mo 粉末の一部は明らかに残存して等軸粒子を形成しましたが、添加された小さな粒子の多くは溶融池で完全に溶解したため、Ti-5553 合金全体の Mo 溶質濃度が増加しました。これは必然的に相安定性と微細構造の進化に影響を与えます。この研究では、Ti-5553 部品の構築方向に沿った相分布を示しています (図 5A および C)。予想どおり、α 相の分布は部品の下部から上部にかけて大きく変化しています。 X線回折（XRD）によりα相の存在がさらに確認された（図5B）。
2. 図 1C の TEM 選択領域電子回折 (SAED) パターンには、等温ω相の特徴である不連続な回折スポットがいくつか見られます。この観察結果は、Ti-5553 が 523 ～ 773 K の温度範囲で熱処理された場合に等温の ω 相と α 相が共存することと一致しています。この研究における示差走査熱量計 (DSC) 測定により、この温度範囲内でこれらの相が形成されることがさらに確認されました。モリブデンを添加すると、β 相が安定化し、α 相の析出が抑制される傾向があります。本研究では、Moの添加量が5.0wt％に達すると、XRDパターンにおけるα相の強度が減少することが観察された（図5B）。 Ti-5553+5Mo には他の相が存在する可能性がありますが、本研究では XRD の感度範囲内で検出できませんでした。また、他の相が存在する場合でも、機械的特性や均質性に大きな影響を与えません。 Ti-5553とは対照的に、Ti-5553+5Moは、針状のα相の兆候がなく、構築方向に沿って凝固したハニカム構造を示します（図5DおよびE）。
3. 単位セル構造のさらなるSEM-EDX分析により、単位セル構造の境界（暗い領域）にチタン溶質が豊富に含まれていることが示されました（図5E）。この現象は、Ti が Ta、W、Nb、Mo などの β 異性元素と合金化された場合に発生します。これらの元素の分配係数が 1 より大きいためです。 L-PBF で製造された高溶質含有量合金 (316L ステンレス鋼、ニッケル基超合金、Ti-42Nb 合金など) では細胞構造の形成も報告されており、これは通常、凝固中の溶質の微小凝集に関連しています。

要約と展望

この研究では、L-PBF によって製造された Ti-5553 合金における柱状粒子と不均一に分散した相の形成に同時に対処する方法に焦点を当てています。この研究では、Ti-5553 に最大 5.0 wt % の Mo を添加すると、CET と結晶粒の微細化が大幅に促進されることが示されています。これは、部分的に溶融していない Mo 粒子上の不均一核生成によるものであり、溶解した Mo 溶質が過冷却領域を形成して結晶粒の微細化の効率が向上すると考えられます。さらに、溶解した Mo 溶質は β 相を安定化させることで Ti-5553 の相不均一性を排除します。 Ti-5553 と比較すると、Ti-5553+5Mo は強度、延性が高く、引張特性がより均一です。より広い意味では、柱状粒子と不均一な分布相は 3D 印刷技術によって製造されるさまざまな金属合金に頻繁に見られるため、この設計戦略の適用範囲は、本論文で検討されているチタン合金を超えて拡張され、他の合金の設計にも役立つ可能性があると本研究では予測しています。

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