電子ビーム積層造形法による Ti-Ni 合金の特性に対する印刷パラメータの影響

出典: マルチスケールメカニクス

Ti-Ni合金は主に高温オーステナイト（B2）と低温マルテンサイト（B19'）で構成されています。形状記憶効果と超弾性は、2つの相間の固体相変態によって実現できます。しかし、Ti-Ni合金の優れた機械的特性により、バリ、大きなスプリングバック、切削の難しさ、加工時の加工工具の激しい摩耗が発生しやすくなります。そのため、ロッド、ワイヤ、プレートなどの単純な構造と形状の製品しか製造できません。 Ti-Ni合金の応用範囲が徐々に拡大するにつれて、単純な形状と構造は合金のさらなる利用とデバイスの全体的な開発を制限しており、複雑な構造と形状のTi-Ni合金を製造できる加工方法を見つける必要があります。この論文では、SEM、XRD、DSC、TEM、等軸圧縮実験方法を使用して、電子ビーム積層造形（EBM）によって製造されたTi-Ni合金の微細構造、相組成、相変態挙動、圧縮特性に対する印刷パラメータの焦点距離補正（FO）と速度関数（SF）の影響を研究および分析します。

表1は、SFとFOを調整して調製した7つのTi-Ni合金サンプルグループを示しています。最初の4つのサンプルグループS1〜S4は同じSFを持ち、FOは徐々に増加します。最後の3つのサンプルグループS2、S5〜S7は同じFOを持ち、SFは徐々に増加します。

表 1 電子ビーム積層造形 (EBM) によって作製された Ti-Ni 合金の特定のパラメータ図 1 異なる EBM 印刷パラメータによって作製された Ti-Ni 合金サンプルの測定密度と相対密度図 1 は、異なる EBM 印刷パラメータによって作製された Ti-Ni サンプルの測定密度と相対密度を示しています。すべてのサンプルの測定密度は 6.30 g/cm3 を超えており、相対密度は 97.75% を超えており、完全に密度化されたエンティティに近いことがわかります。これは、EBM 印刷パラメータを広範囲で調整して比較的高密度の Ti-Ni ブロックを生成できること、および FO と SF がサンプルの測定密度にほとんど影響を与えないことを示しています。また、図 2 から、SF が 25 mm/s に固定されている場合、FO が増加すると、サンプル S1 ～ S4 の相対密度は最初に増加し、その後減少する傾向を示していることがわかります。また、FO が 15 mA に固定されている場合、SF が増加すると、サンプル S2、S5 ～ S7 の相対密度も最初に増加し、その後減少する傾向を示しています。

図 2 異なる EBM 印刷パラメータで準備された Ti-Ni プレアロイ粉末と Ti-Ni 合金サンプルの XRD スペクトル図 3 EBM で準備された Ti-Ni プレアロイ粉末と Ti-Ni 合金サンプルの DSC 曲線図 2 は、EBM で準備された Ti-Ni プレアロイ粉末と Ti-Ni 合金サンプルの XRD スペクトルであり、図 3 は、EBM で準備された Ti-Ni プレアロイ粉末と Ti-Ni 合金サンプルの DSC 曲線です。 EBM で作製した Ti-Ni 合金の相転移温度は、使用したプレ合金粉末の相転移点の温度よりも高いことがわかります。EBM 印刷パラメータ FO と SF を変更しても、サンプルの相転移点にはほとんど影響がなく、相転移温度は比較的安定しています。

図4はEBMで作製したTi-Ni合金の室温圧縮工学応力-ひずみ曲線です。 EBM 印刷パラメータ FO と SF は合金の圧縮特性に重要な影響を与えることがわかります。サンプル S5 は最高の圧縮強度 (約 2871 MPa) と最大の圧縮ひずみ (約 38%) を持ち、これらは約 1100 MPa で、最小のサンプル S1 より 6% 高くなっています。

図 4 EBM で作製した Ti-Ni 合金サンプルの常温圧縮応力-ひずみ曲線図 5 EBM で作製したさまざまな Ti-Ni 合金サンプルの微小硬度と、印刷方向面および印刷面に沿ったサンプル S5 の微小硬度図 6 EBM で作製したさまざまな Ti-Ni 合金サンプルの微細構造図 5 と 6 は、それぞれ EBM で作製した Ti-Ni 合金のビッカース硬度と、EBM で作製した Ti-Ni 合金サンプル S1、S5、および S7 の圧縮破壊の表面形態を示しています。図 5 から、EBM 調製パラメータ FO および SF の変更は、調製された Ti-Ni 合金の微小硬度にほとんど影響を与えないことがわかります。図 6a、d、g に示すように、サンプル S5 は最大圧縮せん断力の方向である荷重方向に対して 45° の角度で破損しました (図 6d)。サンプル S1 は部分的にのみ剥がれ落ち、破損方向は荷重方向と平行でした (図 6a)。サンプル S7 の破損方向と荷重方向の間の角度は、S1 と S5 の間の角度でした (図 6g)。サンプルS1の破面は凹凸があり、圧縮方向に沿ってサンプル全体を貫く大きな亀裂があります（図6b）。局所拡大画像（図6c）から、印刷方向に沿ってサンプル内部に未溶融または半溶融の粉末は見られませんが、層間の重なりが悪く、ある程度緩んだ状態を示していることがわかります。サンプルS5の破面は滑らかで（図6e）、表面の局所拡大画像（図6f）では亀裂や未溶融欠陥の存在は観察されません。サンプルS7の破面は局所的に滑らかですが、ほとんどの領域はS1サンプルと同様で、凹凸のある形態を示しています（図6h）。 2つの形態の接合部の局所拡大画像（図6i）から、印刷方向に沿ってサンプル内部に不連続な亀裂があることがわかります。

図 7 EBM で作製した Ti-Ni 合金サンプル S5 の表面形態、微細構造、および EDS 分析図 8 EBM で作製した Ti-Ni 合金サンプル S5 の微細構造の TEM 画像と SAED スペクトル EBM で作製した Ti-Ni 合金の微細構造を研究するために、著者らは、図 7 と 8 に示すように、EBM で作製した Ti-Ni 合金サンプル S5 の表面形態、微細構造、EDS 分析、および TEM 観察をさらに行いました。図 9 は、EBM で作製した Ti-Ni 合金サンプルの欠陥分析結果を示しています。EBM 作製パラメータ FO と SF の変更により、Ti-Ni 合金にさまざまな印刷欠陥が発生する可能性があります。そのうち、亀裂欠陥は圧縮機械特性を大幅に低下させます。

図9 EBMで作製したTi-Ni合金サンプルの欠陥分析。関連する研究結果は、「電子ビーム積層造形法で作製したTi-Ni合金の特性に対する印刷パラメータの影響」というタイトルでActa Metallurgica Sinica（2020、56（8））に掲載されました。論文の第一著者はRen Dechun氏、責任著者はJin Wei氏です。

論文リンク:

http://dx.doi.org/ 10.11900/0412.1961.2019.00410

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