超高強度TiCおよびTi複合材料のSLM製造中のその場変換

超高強度TiCおよびTi複合材料のSLM製造中のその場変換
寄稿者: 張暁宇、李迪塵 寄稿部署: 西安交通大学機械製造システム工学国家重点研究室

金属マトリックス複合材料 (MMC) の目的は、金属マトリックスの靭性、延性、電気伝導性と、セラミック (または多くの場合、金属間化合物) の剛性と耐摩耗性を理想的に組み合わせることです。ほとんどの場合、この理想的な組み合わせは、マトリックスと金属の化合物の界面の結合が弱い、化合物の形態が不完全、界面に亀裂がある、残留応力、転位、および構成相間の熱的不一致によって生じる加工硬化のために得られません。 SLM は粉末ベースの付加製造 (AM) 方法です。この方法では、希望する形状をレーザースキャン(溶融および固化)することで、複雑な 3 次元部品を層ごとに構築します。 SLM によって実現される自由形状の製造は、MMC をその場で製造する絶好の機会です。これにより、適切に設計された、非常に細かく均一に分散された金属化合物を使用して、複雑な形状の MMC 部品を製造できるようになり、このタイプの材料によくある問題が軽減されます。

図 1. 最適パラメータを使用した Ti/Mo2C SLM 部品の SEM および EBSD 画像。(a) 基本的に構築方向 (垂直および上方) に伸長している粒子構造の EBSD 画像、(b) 均一に分布した主な (ce) ナノウィスカー状炭化物図 2. このプロセスで製造された Ti 合金と他の SLM 処理された Ti 合金複合材料の硬度とヤング率の比較ルーヴェン大学機械工学部の Sasan Dadbakhsh らは、アルミニウムとバナジウムが存在しない新しい超強力 Ti 複合材料を製造できる新しい in-situ 合金化方法を開発しました。この方法では、SLM 技術を使用して Ti/10.5 wt% Mo2C 粉末混合物をその場で合金化して強化し、その場で活性な Ti/10.5 wt% Mo2C 粉末混合物から、潜在的に細胞毒性のある元素 (Al や V など) を含まない強くて硬い Ti 合金複合材料を製造しました。結果は、準安定β-Tiマトリックスが、高アスペクト比、幅50〜200nm、長さ数マイクロメートルのTiCウィスカーによって均一に強化され、これらの相の変化が成分の分解、溶解、拡散、再結合によって制御されていることを示しています。その場で生成された TiC 粒子のウィスカー形態は、<110> 方向の TiC の方向性結晶成長に関連しています。新しい TiC 強化 β チタン合金は、硬度が 500 HV 以上、ヤング率が 126 GPa、極限圧縮強度が 1642 MPa です。

図 3. 分解と拡散のメカニズム この研究成果は、人間のインプラント用の新しい代替材料の開発に役立つでしょう。長い間、Ti6Al4V材料は整形外科用および歯科用インプラントの製造に最も一般的に使用されているチタン合金でした。長期的に有害なイオンが放出されると、人体に害を及ぼします。この研究では、インサイチュー合金化および強化の原理を使用して、毒性の問題のないMo2Cなどの固溶体強化元素をTiと組み合わせることで、バイオメディカルへの応用を向上させ、長期的な有害性などの問題を解決するのに役立ちます。

参考文献:
Dadbakhsh, S., Mertens, R., Vanmeensel, K. et al. 超強力 TiC 強化 Ti 複合材料の SLM 中のその場変化。Sci Rep 10, 10523 (2020)。

SLM、金属、パフォーマンス

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