Acta: 積層造形中の Ti-6Al-4V 合金の微細構造の進化

【導入】
レーザー粉末床で印刷された Ti-6Al-4V 合金の微細構造は、通常、α' 針状マルテンサイトで構成されており、完成品の可塑性と靭性が低くなり、材料の産業用途が大幅に制限されます。印刷パラメータを調整し、積層造形の熱履歴を制御することで、印刷プロセス中にα'→α+β相転移を直接導入することができ、最終的な微細構造は層状の細粒α+β構造に進化します。マルテンサイトと比較すると、この構造は強度と可塑性の組み合わせが優れています。したがって、優れた機械的特性を持つ Ti-6Al-4V 合金の積層造形には、α'→ α+β 構造進化プロセス全体を理解することが非常に重要です。同時に、積層造形プロセスにおける急速な熱サイクルにより、この拡散型相変化の進展を観察する機会も得られます。

【実績紹介】
最近、ディーキン大学のXiaozhou Liao教授（共同責任著者）、Simon Ringer教授（共同責任著者）、第一著者のWang Hao、Xu Wei教授、Qi Chao博士、香港理工大学のZibin Chen博士（共同責任著者）とそのチームメンバーは、透過型電子顕微鏡、走査型電子顕微鏡、および原子プローブを使用して、レーザー粉末床印刷されたチタンアルミニウムバナジウム（Ti-6Al-4V）合金のα'→ α+β相転移中に、Vが豊富な六方最密相（HCP）中間遷移構造αHMEが形成されることを発見しました。この非安定遷移状態は α 相に似た HCP 構造を持ちますが、その化学組成は β 相に近いです。この研究ではα'→α+βの構造進化過程を明らかにした。

研究では、完成した Ti-6Al-4V 合金は、異なる印刷層が受ける異なる熱履歴により、印刷方向に沿って異なる微細構造で構成されていることが示されました。微細構造の進化は、次の順序に従います。α' 針状マルテンサイト、微量の V 元素および Fe 不純物元素がマルテンサイト粒界に濃縮されます (最上層)、大量の V 元素および Fe 不純物元素が濃縮されて HCP 中間非安定 αHME 構造 (次の最上層) が形成され、層状の細粒 α+β 構造 (最下層) が形成されます。この研究では、α'→ α+βの2段階分解過程が初めて明らかになりました。
1) α' はまずラメラ状の α+αHME 構造に分解され、どちらも六方最密構造です。
2) 周期的な熱負荷が増加すると、αHME は最終的に β 相（体心立方構造）に進化します。つまり、この相変化プロセスでは、格子変換プロセスの前に元素の拡散が起こります。研究結果は、「積層造形されたTi-6Al-4 Vにおけるα'からα+β相への変態過程における遷移Vリッチ構造の形成」というタイトルでActa Materialiaに掲載されました。

【写真ガイド】
図 1: 積層造形されたチタンアルミニウムバナジウム合金サンプルの上層と下層の異なる微細構造を示す走査型電子顕微鏡データ。a ) SEM および TEM サンプルのサンプリング位置を示す概略図。 b) 上部サンプルの SEM 後方散乱電子像。主組織はα'マルテンサイトであり、粒内には多数の双晶が観察される。挿入図は双子の高解像度透過型電子顕微鏡画像です。 c) 底部サンプルのSEM後方散乱電子像。主構造はα+βシート構造です。明るいコントラストはβ相構造です。 β 相には主に層状と粒状の 2 つの形態があります。
図 2: サンプルの最上層の透過型電子顕微鏡データa) 走査透過高角環状暗視野 (STEM-HAADF) 画像と対応する元素分布マップ。 b) 元素分布の線形解析により、バナジウムと鉄が粒界にわずかに濃縮されていることが分かります。 c) STEM-HAADF 画像は、分離領域の原子構造が隣接領域の原子構造と同じであることを示しています。平均原子番号が高いため、分離のコントラストは明るくなります。d) 対応するフーリエ回折パターンには異常は見られません。
図 3: 2 番目の最上層の透過型電子顕微鏡データa) STEM-HAADF マップと対応する元素分布マップ。 b) 元素分布の線形解析。帯状構造にバナジウムと鉄が高度に濃縮されていることを示しています。 c-h) 3つの異なる軸状態におけるSTEM-HAADF像におけるα/αHME界面の原子相分析。 αHME は HCP 構造であり、α 相とは異なる格子定数を持つことがわかります。
図3: 最下層のTEMデータa) STEM-HAADFマップと対応する元素分布マップ。 b) 元素分布線分析により、バナジウムと鉄がβ相に多く含まれていることが分かります。 c) α/β界面におけるSTEM-HAADF像の原子相分析。 α相とβ相の位相関係は、//および(0001)α//{110}βとして表される。
文献リンク: https://doi.org/10.1016/j.actamat.2022.118104

出典: マテリアルサイエンスネットワーク

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