3Dプリントチタン合金は産業の高度化に役立ちます！直接使用に適した超強力で耐熱性に優れたチタン合金

出典: マテリアルピープル

多くの製造業の最終目標は、強度と軽量性に優れた複雑な形状の金属部品を迅速に生産することです。積層造形 (AM) は、設計の自由度を実現し、事実上あらゆる形状の部品を製造できる技術です。その結果、AM は航空宇宙、自動車、バイオメディカル、エネルギー分野など、複数の業界にわたる金属製造の新しい時代を切り開きます。しかし、AM によって製造される市販のチタン合金のほとんどは、多くの構造用途において満足のいく性能を備えておらず、特に室温および高温での荷重支持条件下での強度が不十分です。低エネルギーナノ双晶境界 (TB) は転位を効果的に阻止および伝達し、優れた強度と良好な可塑性を実現します。一般的に、金属に完全なナノ双晶構造を作り出すことは困難であり、電気めっき、スパッタリング、または強大な塑性変形などの複雑な方法が必要です。それでも、多数のナノツインを含むコンポーネントのサイズ、形状、熱安定性は通常制限されます。この研究は、AM に固有の熱サイクルと急速冷却を利用することで、チタン合金に独自のナノ析出微細構造を実現できることを実証しています。析出物自体はナノ双晶化しており、平均双晶の厚さは 10 nm 未満です。高密度のナノ双晶析出物は、優れた延性を維持しながら、これまでにない強度を備えています。

成果の簡単な概要<br /> 最近、オーストラリアのモナッシュ大学積層造形センターの黄愛軍教授と朱玉曼上級研究員は、上海理工大学、中国科学院金属研究所、オーストラリア国立大学、オーストラリアのディーキン大学、米国のオハイオ州立大学の著名な学者らと共同で、積層造形法では熱サイクルと急速凝固を利用して、直接使用できる超強力で熱的に安定したチタン合金を製造できることを明らかにした。市販のチタン合金を例にとると、簡単な熱処理を施すだけで、伸びと引張強度はともに 1600 MPa を超えます。この優れた性能は、従来の方法で処理されたチタン合金ではほとんど見られない、高密度で安定した内部ナノ双晶析出物の形成によるものです。これらのナノ双晶析出物は、らせん状の特徴を持つ高密度の転位から発生し、積層造形プロセス中に自動的に形成されます。この研究は、独特の微細構造と優れた特性を持つ構造材料の製造に幅広い応用の可能性をもたらします。関連する結果は、「付加製造による超強力ナノ双晶チタン合金」というタイトルで、世界トップクラスの材料ジャーナルであるNature Materialsに掲載されました。今回、Materials Peopleでは、論文の責任著者である黄教授を特別に招き、業界の読者からの質問に答えてもらいました。一緒に見ましょう！

論文リンク: https://www.nature.com/articles/s41563-022-01359-2

コアイノベーション
（１）積層造形プロセスにおける周期的な加熱と急速冷却によりナノ双晶チタン合金を製造する発明

（２）ナノツインチタン合金は機械的性質が非常に優れており、工学分野に直接応用できる。

面接の質問

Q: 熱処理中にナノ双晶α相が析出するのはなぜですか?それは印刷物の微細構造に関係しているのでしょうか?
A: はい、これは 3D プリント特有の急速凝固によって生じるひずみ場によるもので、元のプリント状態では転位密度が高くなります。これらの格子欠陥は、ナノ双晶アルファ相が析出する主な原因の 1 つです。

Q: 530°C で熱処理された材料では、ナノ双晶 α 相のサイズと割合にどのような変化が起こりますか?熱処理温度との関係は？
A: 温度が高いほど、沈殿相のサイズが大きくなります。理論的には、沈殿相の割合は減少しますが、これには長い時間がかかります（平衡に達するまで）。

Q: 印刷プロセスの熱サイクルにより、材料はマクロスケールで空間的に不均一になりますか?その後の熱処理中に、ナノ双晶α相が特定の領域にのみ析出するのでしょうか?
A: 理論的には、いいえ。3D プリントの大きな利点の 1 つは、マクロ構造の均一性です (最初の印刷層と最後の層を除き、テクスチャも除外されます)。マクロ構造は、微小な同等の溶融池の蓄積によって形成されます。この沈殿は主に格子欠陥によるものであるため、このような格子欠陥は比較的均一です。

Q: チタン合金は鋼鉄と同等の機械的特性を持つ合金ですが、将来的に鋼鉄を部分的または完全に置き換えることは可能でしょうか?比較すると、注目すべき利点と欠点は何でしょうか?
A: 一部の分野では、航空機の着陸装置の材料など、高強度チタン合金が鋼鉄に取って代わっているか、または取って代わっています。高強度チタン合金の主な利点は、比強度が高い（軽量）ことと環境腐食に強いことです。一方、同じ強度の鋼鉄の利点は、コストが低く、剛性が優れていることです。それぞれの利点と使用環境に基づいて材料を選択してください。

Q: この記事で提案されている方法で高温チタン合金を印刷できますか?
A: 高温チタン合金には適していません。一般的に、高温チタン合金はアルファ合金に近いため、その成形状態は準安定ベータ相ではなくマルテンサイト相であるため、この析出強化は達成できません。

データの概要<br /> 図 1 LPBF (レーザー粉末床溶融結合法) で製造され、熱処理された市販の β-C チタン合金の機械的応答。a、3D プリントされたサンプルと 480°C/6 時間および 520°C/3 時間で熱処理されたサンプルの工学的応力-ひずみ曲線。 b、熱処理後のLPBF β-C合金の比強度と均一伸び（UE）の相関関係、およびAMで製造された他の高強度チタン合金、鋼、アルミニウム、ニッケル基超合金との比較。
図2 LPBF成形および熱処理後のβ-cチタン合金の微細構造。a、BF TEM画像は微細構造内の密な転位を示しています。この画像は{10}<110>βダブルビーム条件下で撮影されました。 b、XRD スペクトルは、準備および熱処理中に微細構造内に存在する相を確認します。 c、熱処理（480°C/6時間）された微細構造中の高密度α析出物を示すHAADF-STEM画像。図中の黄色の破線は、典型的な GB α 相を欠く β マトリックス内の GB のトレースです。電子ビームは<100>βゾーン軸に平行であった。
図3. 熱処理（480℃/6時間）後のLPBF微細構造におけるナノ双晶α析出物。 a - c、BF-STEM 画像は、α 析出相の 3 方向に沿って高密度ラメラが存在することを示しています。観察方向は <111>β または {110}α に平行です。d. 局所領域からの原子スケール HAADF-STEM 画像は、3 つの α バリアントが {101}α 双晶関係にあることを示しています。 TB は黄色の破線で示され、各粒子の基底面は白い線で示されています。双子銀河と{103}α核融合のいくつかの端は赤い破線で示されています。 e、β相と{101}αα双晶バリアント間のバーガースORの概略図（単位格子で表される）。透過ビーム方向は<111>βまたは{110}αです。 f、{101}α TB 内の溶質の周期的偏析を示す原子分解能 HAADF-STEM 画像。画像内の各明るい点は、Mo/Zr に富む原子列を表しています。挿入図の原子列強度プロファイルは、TB 上の 2 つの隣接する明るい点 (5.5 Å) と、明るい点とその左側にある反対側の暗い点 (2.5 Å) の間の距離を示しています。

図4 らせん転位周囲のナノ双晶析出のMDシミュレーション。a、1/2 <111>β型らせん転位が純粋なβシミュレーション単位内に配置されている。 b、600 Kで単位セルに3D引張応力を加えると、転位線に沿った異なる位置にある3つの{10}β面から3つのα析出バリアントが核生成することが観察されます。 c - eでは、加熱時間がそれぞれ37.5 ps (c)、52.5 ps (d)、67.5 ps (e)となるにつれて、α析出相が徐々に成長します。 3 つの α 沈殿物はそれぞれ黄色、赤、青で表されます。
結果から得たインスピレーション<br /> 純金属で高密度のナノ双晶を得ると、非常に高い強度と十分な延性を達成できますが、そのような双晶ナノ析出はどの合金でも報告されていません。この研究は、AM に固有の熱サイクルと急速凝固を利用して、独自の析出微細構造を操作し、優れた機械的特性を実現できることを示しています。これは市販のチタン合金で達成されており、産業用途にすぐに影響を与える可能性があります。この研究から得られた知見は、物理冶金学の分野における強化および転位工学の原理に関する基本的な洞察をもたらすことが期待されます。

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