Materials Today: 積層造形合金は、材料の機械的特性を総合的に改善する新しい面心立方相を導入します

この投稿は warrior bear によって 2022-12-4 21:56 に最後に編集されました。

出典: マテリアルサイエンスネットワーク

チタンとその合金、特に Ti-6Al-4V は、強度が高く耐腐食性に優れているため、航空宇宙から生体医学インプラントに至るまで、重要な用途で広く使用されています。その塑性変形能力は限られており、低温 α 相の六方最密充填 (HCP) 構造によって大きく決まります。 Ti の面心立方 (FCC) 相が室温で安定して存在できるかどうかについての論争は数十年前に遡ります。これまで研究者は、Ti の FCC 形態は、水素化物などの金属間化合物、またはチタン合金が電子ビームや電離放射線にさらされたときに現れる、高度に局所化され欠陥が安定化された準安定相のいずれかであると一般的に信じていました。

現在の議論は主に、チタン合金中に格子間原子として存在する H、C、N、O などの軽元素とマトリックス Ti との相互作用の不確実性に焦点を当てています。チタン合金では、O は低濃度では大きな強化効果を発揮しますが、高濃度になるとすぐに脆化効果に変わる可能性があることはよく知られています。したがって、格子間元素含有量の正確な制御は、チタン合金の従来の冶金処理において重要な考慮事項です。金属付加製造 (AM) 中の急速凝固、交互熱サイクル、および熱応力により、従来の冶金処理で発生するものとは大きく異なる、高度に非平衡な微細構造が生成されます。 AM プロセスにおけるより高い熱勾配、急激な温度変化、熱の蓄積は、原材料 (金属粉末) および印刷環境と相まって、格子間元素が導入される可能性を大幅に高め、最終的には材料の強度、延性、疲労寿命、およびその他の重要な特性に影響を与えます。最近の研究では、このような運動プロセスによって格子間サイトの強化がもたらされ、特定の材料の強度と延性を同時に高めることができることが示されています。ここでは、Ti-6Al-4V のレーザー粉末ベッド印刷中に格子間酸素を導入し、FCC Ti 相の形成につなげ、材料の機械的特性を大幅に向上させます。

簡単な紹介

最近、シドニー大学の廖暁州教授（共同責任著者）、サイモン・リンガー教授（共同責任著者）、共同筆頭著者の王浩、崔向元博士、ディーキン大学の徐偉教授（共同責任著者）、チャオ・チー博士（共同筆頭著者）、香港理工大学の陳子斌博士（共同責任著者）とそのチームメンバーは、透過型電子顕微鏡、走査型電子顕微鏡、3次元原子プローブ技術を使用して、レーザー粉末床印刷されたTi-6Al-4V中に固溶酸素によって安定化された面心立方FCC相を発見しました。 FCC 相は C 相と呼ばれ、格子定数は 0.406 nm で、親相 α' (マルテンサイト相) と次の特定の方位関係を持ちます: (0001)a'//{111}C、および //。著者らは、C 相の形成は、熱勾配、マルテンサイト相変態による変形、および局所的な O 元素濃縮の複合効果の結果であり、これにより高温で最密六方晶 α′ 相から C 相へのその場相変態が可能になることを発見しました。密度汎関数理論計算 (DFT) によれば、FCC 構造の八面体隙間の酸素占有率は、α′ 相の対応する位置よりもエネルギー的に優れていることが示されています。原位置機械試験の結果は、FCC 相の存在によりサンプルの局所降伏強度が、α′ 相のみが含まれる場合の 1.2 GPa から、α′ 相と FCC 相の体積分率が基本的に等しい場合の 1.9 GPa まで大幅に増加することを示しています。同時に、バルク材料の可塑性と加工硬化率が向上します。この研究は、積層造形用の高性能チタン合金の設計に新たなアプローチを提供します。

研究結果は、2022年11月18日付けMaterials誌に「積層造形Ti-6Al-4VにおけるC相の導入：機械的特性が向上した新しい酸素安定化面心立方固溶体」というタイトルで掲載されました。

文献リンク: https://doi.org/10.1016/j.mattod.2022.10.026

画像とテキストのガイド

図 1: 積層造形されたチタンアルミニウムバナジウム合金サンプルの C 相の体積分率がサンプルの高さによって変化する様子を示す走査型電子顕微鏡データ。a) 模式図は SEM サンプルと TEM サンプルのサンプリング位置を示しています。 b) 最上層サンプルの SEM 電子後方散乱回折位相画像。主な構造は α' マルテンサイト (赤色の領域) です。 c) 中間層サンプルの走査型電子顕微鏡の電子後方散乱回折位相画像。主な構造は α' マルテンサイトと C 相 (つまり FCC 相、緑色の領域) です。 d) 二相領域の投影菊池回折位相像。主な構造はα' マルテンサイトと C 相です。 e) 対応する透過型電子顕微鏡 (TEM) 明視野位相、および挿入図は対応する回折パターンです。図 2: C 相の透過型電子顕微鏡 (TEM) による特性評価 a-b) [001] および [011] 軸状態の C 相の走査透過高角度環状暗視野画像。 c-d) 対応する高速フーリエ変換された逆空間格子。 e-f) C 相と α' 相の TEM 明視野像と対応する回折パターン。 g) 2相領域の原子分解能画像。2相間の方位関係は(0001)a'//{111}C、および//であることを示しています。図 3: 相 C の元素分析 a) TEM 暗視野相、明るいコントラスト領域が相 C です。 b-c) この領域に対応する電子エネルギー損失スペクトルの低エネルギー領域と高エネルギー領域。 d-e) 2相領域の原子プローブトモグラフィーにより、相Cには30 at.%の酸素が豊富に含まれていたことが明らかになりました。図 4: DFT 計算結果 a-b) DFT 結果により、FCC 構造内で O 元素が低エネルギー状態にあることが確認されています。 c) DFT の結果は、O 原子間の第 1 隣接エネルギーレベルが最も高いことを示し、C 相の O 元素が TiO 金属間化合物ではなく固溶体強化の役割を果たしていることを証明しています。図5：機械的特性試験 a）原位置円筒圧縮試験の真応力-ひずみ曲線。 b) 変形後の二相円筒のTEM明視野相では、C相に多数の変形双晶と高密度転位が観察された。 c) バルクサンプルの工学的応力-ひずみ曲線の比較。 d) バルクサンプルの加工硬化率の比較。

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