概要: チタンアルミニウム合金粉末製造プロセスと 3D プリントアプリケーション

チタンアルミニウム合金の概要

チタンアルミニウム合金（チタンアルミニウム金属間化合物とも呼ばれる）は、低密度、高比強度、優れた難燃性、優れた耐クリープ性、耐酸化性を備えた新しいタイプの軽量高温構造材料です。金属材料とセラミック材料の両方の利点を備えています。動作温度は600〜900℃です。高温分野でより重いニッケルベースの高温構造材料を置き換える理想的な代替材料の1つです。

チタンアルミニウム粉末製造プロセス

粉末は、TiAl 金属間化合物粉末冶金部品を製造するための前提と基礎であり、性能において重要な役割を果たします。 TiAl金属間化合物粉末の製造方法は、元素粉末法と予備合金粉末法に分けられます。

元素粉末法は、元素粉末を原料として用いる方法で、コストが低く、プロセスサイクルが短いですが、生成される相が比較的複雑で、不純物含有量が高く、焼結性能が悪いため、あまり使用されていません。

プレアロイ粉末法は、組成の均一性が良好で、不純物元素含有量が低く、製造された部品の機械的特性が優れているため、TiAl 金属間化合物粉末を製造するための好ましいプロセスとなっています。一般的に使用されているプレアロイ粉末製造プロセスには、主に冷壁るつぼ真空誘導溶解ガス噴霧法、電極誘導溶解ガス噴霧法、プラズマ回転電極噴霧法が含まれます。

冷壁るつぼガスアトマイゼーションによる真空誘導溶解（VIGA-CC）

TiAl 金属間化合物は融点が高く、活性も高いため、コールドウォールるつぼが選択されます。 TiAl金属間化合物原料を冷壁るつぼに入れ、誘導加熱を行うと、るつぼの底部と周囲にシェルが形成されるため、誘導溶解は常に同じ組成の固体シェル内で行われ、るつぼ材料の汚染を回避できます。原料が完全に溶解し、一定時間保温されると、底部のガイドパイプからスプレープレートに入り、高速の不活性気流の作用により、液体の流れが分解され、急速に粉末に凝縮されます。このプロセスでは、球形度が高く酸素含有量の少ない粉末が生成されますが、エネルギー消費量が高く、粉末中の炭素含有量が高いという問題があります。

図1 冷壁るつぼ真空誘導溶解ガスアトマイズ法の概略図
電極誘導ガス噴霧法（EIGA）

TiAl金属間化合物を電極棒に加工し、誘導コイルで加熱・溶融して微細な液流を形成し、スプレープレートを流れる高速不活性ガス流によって液滴が細かく砕かれ、急速に粉末状に凝縮されます。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のモードです。調製された粉末は純度が高いですが、液体の流れの安定性を制御することが難しく、電極を事前に溶かす必要があるため、成分の分離の問題が発生します。

図2 電極誘導溶融ガスアトマイズ法の概略図
プラズマ回転電極霧化（PREP）

TiAl金属間化合物を電極棒とし、電極棒の回転により発生する遠心力を利用して、電極の一端でプラズマにより溶融した金属液滴を接線方向に飛ばし、粉末状に霧化します。このプロセスで製造される TiAl 金属間化合物粉末は、純粋で、球形度が高く、流動性が良く、中空粉末が少ないです。しかし、この方法は電極の回転速度に制限があり、粉末の粒子サイズが粗く、生産効率が低い。また、母合金インゴットを電極として使用するため、成分偏析の問題もある。
図3 プラズマ回転電極霧化法の模式図
Panxing新金属Ti4822粉末の特性

Panxing Ti4822粉末は、電極誘導溶融ガス噴霧EIGAプロセスによって製造され、粉末の組成要件とテスト値は以下の表1に示されています。

表1 Ti4822の化学組成（重量％）
製粉工程では、主要なパラメータ制御により、継続的かつ安定した効率的な生産が実現されます。 EBM技術の適用により、ふるい分けられたチタンアルミニウム合金粉末の粒子サイズの範囲は53〜150μmであり、そのレーザー粒子サイズ分布は下の表2に示されています。同時に、6バッチの粉末粒度分布を計測したところ、下の図6に示すように、概ね安定していました。

表2 Ti4822 53~150μmレーザー粒度分布図6 Ti4822（53~150μm）粉末粒度分布 D50バッチ安定性
Ti4822 53〜150μm粉末は、以下の表3に示すように、優れた総合特性を備えています。同時に、6 バッチの粉末流動性と嵩密度を計測しました。下の図 7 と 8 に示します。全体的な性能は安定しています。

表3 Ti4822 53~150μm粉末の総合特性

図7 Ti4822（53〜150μm）粉末のバッチ安定性流動性図8 Ti4822（53〜150μm）粉末のバッチ安定性嵩密度
Ti4822 53～150μmの粉末形態は下の図9に示されており、球形度が高く、サテライト球がほとんどありません。

図9 Ti4822 53~150μm粉末の形態
チタンアルミニウム合金粉末の応用

現在、TiAl金属間化合物は、航空機エンジンの低圧タービンブレードの開発と製造に広く使用されています。 2006年6月、GEはGEnxエンジンの第6段および第7段低圧タービンブレードの製造に4822合金を使用し、TiAl金属間化合物のエンジニアリング応用を初めて実現すると発表しました。

図10 中国科学院金属研究所が製造したγ-TiAl合金低圧タービンブレードの精密鋳造における積層造形技術の独自の利点は、TiAl金属間化合物の形成に新たな機会をもたらしました。チタンアルミニウム合金粉末に適した積層造形技術には、主に選択的レーザー溶融法 (SLM)、レーザー金属堆積法 (LMD)、電子ビーム選択溶融法 (EBM) などがあります。中でも、EBM 技術は、超高温の予熱温度、高い成形効率、良好な成形品質により、チタンアルミニウム合金の特殊形状部品の成形に最も適した積層造形技術であると考えられています。

図11 EBMチタンアルミ合金大型タービンブレード
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効率的で統合された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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