最高強度の新しいチタン合金 - Ti185 合金の選択的レーザー溶融

はじめに: Ti-1Al-8V-5Fe (Ti-185) などの鉄含有 β-Ti 合金は、強度が高く (引張強度は最大 1600MPa)、コストが低いため、人々に好まれています。しかし、これらの合金は、Fe の偏析が強く、β 相粒子が形成されるため、インゴット鋳造では製造できません。本研究では、Ti、Fe元素粉末および不規則形状のAl-Vマスター合金粉末を原料として使用し、選択的レーザー溶融（SLM）技術によってTi-185部品を製造することに成功しました。
この研究では、Ti-185 を選択的レーザー溶融法 (SLM、粉末床ベースの積層造形技術) における新しい材料として使用しました。 α+βグレードと比較すると、βチタン合金のAMに関する研究はほとんどありません。これは、SLM 製造に使用できる粉末が不足しているためだと考えられます。この研究の主な目的は、偏析と多孔性が最小限で、適切な機械的特性を持つ Ti-185 合金の印刷部品を開発することです。金属の加熱プロセス中、冷却速度は 103 ～ 104°C/s に達し、Fe の偏析が大幅に減少し、β 粒子の形成が減少し、最高の降伏強度と靭性が確保されます。 Eylon 氏と Froes 氏は、Ti-185 は液体から固体への急速な変換を可能にするプロセスでのみ使用すべきであると指摘しています。積層造形は凝固速度が高いという特徴があり、Ti-185 の加工に適した唯一の材料であることがわかります。
関連研究は、「選択的レーザー溶融法を用いた新しい Ti-Al-V-Fe 合金の付加製造」と題する論文として、Additive Manufacturing 誌に掲載されました。

論文リンク: https://doi.org/10.1016/j.addma.2018.04.006
チタン合金は比強度が高く、動作温度も高くなります。近年、β-Ti合金は他のTi合金よりも強度が高く、靭性や耐疲労性に優れていることから、広く研究されています。これらの合金には、ベータ安定化元素 (Mo、V、Cr、Fe) が大量に含まれています。 β-Ti合金の大規模導入は、Mo、V、Cr合金元素のコストが原因の一部である高コストのために制限されています。
Ti-1Al-8V-5Fe (Ti-185) は、Ti-10V-2Fe-3Al (Ti-1023) や Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr (Ti-5553) に比べて高い強度と疲労寿命を備えながら、低コストの合金元素、特に Fe を含む独自の低コスト β-Ti 合金です。 Ti-185 は 50 年以上前に特許を取得しましたが、従来の機械加工方法では商業的に実現可能ではありませんでした。これは、鋳造プロセス中に Fe の強力なミクロ偏析が発生し、大きな組成変化と脆性相の析出が生じるためです。現在利用可能な Ti-185 合金の用途はわずかですが、そのほとんどは熱処理されて、粒界に β マトリックスと主な α 相からなる微細構造が生成され、粒内にはナノスケールで分布した α 析出物が生成されます。
Joshi らは、粉末冶金と熱機械加工を組み合わせた Ti-185 の処理方法を開発しました。これにより、Fe の偏析と有害な β スポットの形成が回避されます (β スポットとは、Fe や Cr などの β 安定化元素が豊富に含まれる β 相領域です)。 Ti-185 合金は優れた特性（引張強度 1655MPa、伸び 4～6%）を備えていますが、部品を製造する際には、長くて高価な焼結プロセスと複数の圧延工程が必要になります。デバラジ氏は同じ材料から始めて、β超温度で時効処理することにより、βマトリックス内に非常に微細な一次および二次αを持つ階層的ナノ構造合金を開発しました。この微細構造により、既存の市販チタン合金を上回る強度と延性の独自の組み合わせが実現します。
図1 (a)本研究で使用したTi-185粉末のSEM像、(b)プレファブリケーションサンプルのXRDパターン、(c)粒度分布分析。図 2. (a、b) 研磨およびエッチングされた状態での構築済みサンプルの光学顕微鏡写真、(c) 構築済みサンプルとその後 1200°C に加熱して水で急冷したサンプルの XRD パターン、(d) 構築済みサンプルの構築済み方向の EDS ラインスキャン。 (注: Fe 線と V 線は重なり合っています)。図3に示すように。 (a) 構築された構造の光学顕微鏡写真。(b) フレーム (a) からの高解像度画像。不均一な沈殿物の分布を示しています。ビルド方向は垂直です。図4に示すように。図 5. SLM および後熱処理中の Ti-185 合金の温度時間プロファイルの概略図。O 値が 0.78 wt.% の Ti-185 の場合、平衡融点は 1650℃、β 遷移温度は 980℃ です。図 6. (a) そのままのサンプルの明視野 TEM 画像、(b) α 相と ω 相の回折パターンと (c)、(d) 暗視野画像、(e) β マトリックス内の転位構造、(f) α β、nd ω、スポットを示す回折パターン。図 7. 800℃ で 1 時間時効処理した後 (a、c) および (b、d) 960°C で 30 分間時効処理した場合の粒径と α 析出相の変化。形成方向は垂直です。図 8: 前処理および熱処理 (960°C-30 分) 後の Ti-185 試験片の真の圧縮応力-ひずみ曲線。破壊点は十字でマークされています。表 1: (近) β- β Ti 合金の圧縮機械的特性。
最終的に、インゴット鋳造プロセス中の激しい偏析により脆くなりやすい鉄含有チタン合金 Ti-185 を SLM 法で製造することに成功しました。 Ti-185 に見られる小さな粒子とこれらの β 粒子が存在しないことは、Ti-185 が SLM に有望な材料であるという強力な冶金学的証拠となります。強度と延性の優れた組み合わせは、非常に微細な粒子構造、ベータ (β) マトリックス内に分散したナノスケールの α 相、高い転位密度、および高い酸素含有量によるものです。
プレファブリケーションされた部品の微細構造分析により、SLM を使用すると、ナノスケールの析出物と有害でない鉄の偏析を伴う非常に微細な粒子構造を生成できることが示されました。この結果は、SLM プロセス中の急速凝固条件によって説明できます。圧縮試験の結果は、印刷された試験片と熱処理された試験片の両方が超高強度と適度な延性を達成できることを示しています。このプロセスにより、付加製造用の新しい鉄含有チタン合金の開発への新たな道が開かれます。

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