TC4チタン合金粉末熱間静水圧プレスプロセスとアプリケーション、パンシンニューメタルは金属3Dプリント市場に焦点を当てています

出典：パンシン・ニュー・メタルズ

TC4チタン合金は、密度が低く、比強度が高く、生体適合性、中高温安定性、機械的性質、耐腐食性に優れており、航空宇宙、軍事産業、造船などの分野で広く使用されており、現在最もよく使用されているチタン合金です。 TC4チタン合金は加工性能が悪く、材料コストが高いため、従来の成形方法では材料利用率が低く、加工余裕が大きいという欠点がありましたが、この欠点を克服するために、チタン合金のニアネット成形技術が開発されました。この技術では、積層造形と粉末熱間静水圧プレスプロセスを通じて、高強度で軽量な部品の迅速な試作を実現できます。

TC4チタン合金粉末
粉末は、TC4 チタン合金粉末冶金部品を製造するための前提と基礎です。粉末の物理的特性は、粉末熱間静水圧プレス部品の性能に重要な役割を果たします。 TC4チタン合金粉末の一般的なプレアロイ粉末製造プロセスには、冷壁るつぼ真空誘導溶解ガスアトマイゼーション、電極誘導溶解ガスアトマイゼーション（EIGA）、プラズマ回転電極アトマイゼーションなどがあります。その中でも、EIGA法で製造された粉末は総合的なコストパフォーマンスに優れており、人気が高まっています。

電極誘導ガス噴霧法（EIGA）
TC4チタン合金を電極棒に加工し、誘導コイルで加熱・溶融して微細な液流を形成します。スプレープレートを通過した液滴は高速の不活性空気流によって粉砕され、急速に粉末に凝縮されます。このプロセスはるつぼフリー、フローガイドチューブフリーモードであり、製造された粉末は高純度です。

△図1 電極誘導溶融ガスアトマイズ法の模式図
TC4 チタン合金粉末熱間静水圧プレスプロセス<br /> 熱間静水圧プレス (HIP) プロセスでは、不活性ガスを力の伝達媒体および保護雰囲気として使用します。制御可能な高温 (2000°C 未満) および高圧 (100 ～ 200Mpa) の密閉容器内で、パッケージまたはその中に置かれたコンポーネントの表面の全方向に同じ静圧が適用され、高密度のコンポーネントが得られます。その原理は、以下の図 2 および 3 に示されています。熱間静水圧プレス技術は、TiC やその他の超硬合金の焼結準備や成形後処理、大型鋳造製品の緻密化、ターゲット材料や印刷部品の緻密化、チタンやモリブデンなどの高温合金の内部欠陥の除去、溶接が困難な材料の拡散接合など、多くの分野で広く使用されています。

△図2 熱間等方圧加圧の原理 △図3 内部の気孔や欠陥を除去する熱間等方圧加圧粉末の熱間等方圧加圧（HIP）プロセスは、粉末のニアネット成形特性と熱間等方圧加圧によって得られる優れた材料性能特性を組み合わせたもので、緻密化とニアネット成形効果を同時に実現できる方法です。その利点には、材料密度が高く、相対密度が100％に近い、微細構造が良好、純度が高く、粒子が細かく、組織が均一、等方性があり、内部応力が小さく、性能が鍛造品のレベルに十分達するか、それを超えることなどがあります。

TC4チタン合金粉末の熱間静水圧プレスプロセスルートを図4に示します。

△図4 TC4チタン合金粉末熱間静水圧プレスプロセスルート
TC4チタン合金粉末の熱間静水圧プレスプロセスは、欠陥を排除し、チタン合金ワークピースの機械的性質を効果的に向上させ、ハイエンド設備の高い要求を満たすことができます。同時に、チタン合金のコストを削減し、生産効率とチタン合金の利用率を向上させ、チタン合金プロセス技術に存在する問題を2つの側面から解決します。

Panxing New Metal TC4チタン合金粉末の熱間静水圧プレスプロセス特性
Panxing TC4チタン合金粉末は、電極誘導溶解ガス噴霧EIGAプロセスによって製造されます。その粉末と熱間静水圧プレス部品の化学成分標準値とテスト値は、下の表1に示されています。それらはすべて鍛造品の国家標準GB / T 25137-2010の要件を満たし、酸素含有量の増加は100ppm以内です。

△表1 TC4の化学組成（重量％）

3Dプリント粒子サイズ範囲外の副産物は熱間静水圧プレス技術で使用されるため、粉末粒子サイズの範囲は53〜250μmです。粉末の物理的性質は表2に示され、粉末形態SEMは下の図5に示されています。

△表2 TC4 53~250μm粉末の物理的性質△図5 TC4粉末のSEM形態
TC4チタン合金粉末の熱間静水圧プレス加工は、優れた総合特性を持っています（下の表3と表4を参照）。実際の加工写真を図6に示します。粉末熱間静水圧プレス部品の3つのバッチのブロック密度と室温機械的特性を測定しました。

（１）熱間等方圧成形粉末部品の密度は99.6％に達する。
（２）粉末熱間静水圧プレス部品の常温機械的性質は安定しており、鍛造標準GB/T 25137-2010の要求を満たしている。
（３）熱間等方圧圧縮粉末部品のX線欠陥検出：サンプル内部に明らかな欠陥（穴、亀裂、未溶融部分、介在物など）は発見されず、金属組織はα＋βバスケットウィーブ構造であった。

△表3 TC4粉末熱間静水圧プレス部品の密度△表4 TC4粉末熱間静水圧プレス部品の常温機械的性質△図6 TC4チタン合金粉末熱間静水圧プレス部品の加工写真
TC4チタン合金粉末の熱間静水圧プレス技術の応用
1955年、米国で初の熱間等方圧プレス装置の開発に成功し、熱間等方圧プレス技術が誕生しました。米国は航空宇宙工学と軍事分野で粉末チタン合金技術の開発に多大な努力を払っており、F14エンジンナセルフレームと胴体ブラケット、F-15戦闘機のTC4チタン合金キールジョイント、F18エンジン固定ブラケットなどの応用において優位性を持っています。図7は、英国のRRエンジン社とバーミンガム大学がコンピュータシミュレーションとHIPニアネットシェイプ成形技術を組み合わせて製造した航空機エンジンコンプレッサーカバーです。これは、公表されている最大の粉末チタン合金HIPニアネットシェイプ航空構造部品です。

△図7 RRのHIPニアネット成形技術で製造された高性能Ti-6Al-4Vチタン合金航空機エンジンコンプレッサーカバー。現在、国内の研究機関は多くの作業を実施し、優れた性能を持つ粉末チタン合金部品を多数開発しました。それらの多くは、航空機エンジン、宇宙船、水素ポンプインペラ、薄壁キャビン、空気舵フレーム、ミサイルテール、タンク、タービンディスク、潜水艦潜望鏡バレルなど、航空宇宙および軍事産業で使用されています。特に、C919大型航空機のテスト飛行の成功に基づいて、粉末チタン合金は国内航空分野でより大きな発展を遂げるでしょう。航空宇宙材料技術研究所は、粉末チタンのニアネットシェイプ熱間静水圧プレスを中国で最も早く実施した機関の 1 つです。開発された製品には、図 8 に示すように、錦織フレーム構造部品、シリンダー部品、水平翼フレーム、インペラーなど、さまざまなグレード (TC4、TC11、TA7、TA15 など) の航空宇宙部品が含まれます。
△図8 航空宇宙材料技術研究所が開発した粉末チタン合金製品民間市場では、3Dプリンターの市場需要が急速に伸びるにつれて、印刷用チタン合金基板の需要も徐々に増加しています。TC4チタン合金粉末を使用したチタン基板の熱間静水圧プレスも大きな潜在市場を持っています。

Panxingは粉末の研究開発と生産に取り組んでいます。パンシンニューメタルは、新金属材料と球状金属粉末の研究、開発、生産に注力しており、研究開発を重視し、精密製造に注力する国家ハイテク企業です。粉体事業の面では、潘興新金属は現在10本の真空空気噴霧生産ラインを保有しており、チタン合金や耐熱合金などの高品質粉体を年間1,000トン以上生産しています。同社の製品は、積層造形、MIM、表面処理などの分野で広く使用されています。今後、パンシンはより多様で低コストの粉末タイプを発売し、優れた安定した製品品質を備えた高品質で効果的な統合技術ソリューションを顧客に提供していきます。

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