北京科技大学、北京理工大学などのトップジャーナル | アーク積層造形におけるTA15合金の往復滑り摩耗メカニズムの温度効果の解明

出典: WAAM アークアディティブ

TA15合金（Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1V）は、典型的な航空宇宙構造材料であり、近αチタン合金として、航空機エンジンの重要な構造部品やベアリング部品の製造に広く使用されています。チタン合金部品の需要はより大型、より軽量、より複雑になる傾向にあるため、従来の製造方法には限界があり、ワイヤアーク積層造形（WAAM）技術は、高性能で大型かつ複雑な部品を効率的かつ低コストで生産するというニーズを満たすことができます。しかし、TA15 合金は実際の用途では高温と機械的振動による摩耗損傷を受け、材料の性能と寿命に課題をもたらします。

最近、北京科技大学と北京理工大学の原子力放射線安全センターは、工学技術分野のトップジャーナルであるWearに「ワイヤーアーク積層造形で製造されたTA15合金の往復滑り摩耗メカニズムに対する温度の影響の解明」と題する研究結果を発表しました。この研究では、高温での往復滑り下でアーク積層造形技術によって製造された TA15 合金の摩耗メカニズムを調査し、摩擦係数 (COF)、摩耗損失、酸化、微細構造の進化に対する温度の影響を調べました。最後に、実験結果に基づいて、さまざまな温度での摩耗寿命予測モデルが確立されました。

図1. (a) TA15合金のWAAM処理のスケッチ。 (b) ジグザグ堆積経路図 2. 多機能摩擦摩耗試験機の組み立てとモデル図 3. (a) WAAM 社が製造した TA15 合金部品。 (b) 硬度試験の圧痕のOM画像とさまざまな表面の平均硬度。 WAAM で製造された TA15 合金の 3D 微細構造 (c) OM および (d) SEM 画像図 4。 (a) 異なる温度での時間の経過に伴う COF の変化。 (b) 異なる温度での平均COF。 (c) 温度上昇による摩耗量の変化。誤差バーは、3 回の繰り返し実験の標準偏差から計算されます。図 5. 異なる温度における TA15 合金の摩耗傷の 3 次元形態。 (a) 25°C、(b) 200°C、(c) 400°C、(d) 600°C、(e) 800°C、(f) 1000°C。 (g) (af) に示す位置での断面プロファイル。 (h) 温度上昇による最大摩耗深さの変化。滑り方向は図6（a）に示されています。異なる温度におけるTA15合金の摩耗表面のSEM画像と、対応するTi、O、Al、Mo元素のEDSマッピング。 (a) 25°C、(b) 200°C、(c) 400°C、(d) 600°C、(e) 800°C、(f) 1000°C。スライド方向は図7（a）に示されています。図6の長方形領域の拡大SEM画像。 (a) 25°C、(b) 200°C、(c) 400°C、(d) 600°C、(e) 800°C、(f) 1000°C
図8. 異なる温度での摩耗試験前後のTA15合金表面のXRDパターン。 (a) 摩耗試験前のXRDパターン、(b) 摩耗試験後のXRDパターン。 (c) 摩耗前後のXRDパターンの比較（同じ温度での上側の曲線は摩耗後のXRDパターンを表す）。 (d) 異なる温度における摩耗表面のラマンスペクトル図9. 未知数EaとAの調整。 (a) 温度上昇による摩耗量の変化（図 4 より抜粋）、(b) A と温度の関係図 10. 滑りサイクルのグラフィカルな分解図 11. 式に基づく異なる温度での実験データと理論計算結果の比較図 12. 異なる温度での TA15 合金の摩耗痕表面下の典型的な微細構造の進化の模式図
主な結論

（１）摩擦係数（COF）の変化と摩耗損失は温度によって大きく影響される。温度が上昇すると、安定した酸化層の形成が加速されるため、COF は急速に安定期に入り、平均 COF は最初は減少し、その後増加します。一方、摩耗損失は最初は増加し、その後 800°C 未満で減少しますが、1000°C で最大値に達します。これは、酸化摩耗破片の形成と除去と、非常に高い温度での相変化との間の競合によるものです。

（２）Ft-D曲線の経時変化は温度に大きく影響される。低温では、Ft-D 曲線は時間の経過とともに準平行四辺形から閉じた線に変化します。中程度の温度では、Ft-D 曲線は時間の経過とともに準紡錘形のままになります。高温では、Ft-D 曲線は時間の経過とともに準平行四辺形のままになります。温度が上昇するにつれて、Ft-D曲線はほぼ平行四辺形になる傾向があり、酸化層の潤滑効果により、接触面は相対的に滑りやすくなります。しかし、温度が1000℃まで上昇すると、酸化物層の過度の剥離により相対的な滑りが弱まります。

（３）酸化層の亀裂形態は温度に大きく影響される。温度が上昇すると、亀裂の形態はランダムに分布した気孔から滑り方向に平行な剥離亀裂へと変化します。これは、熱応力の増加と酸化層の脆さによるものです。

（４）摩耗寿命モデルは温度に大きく影響される。古典的な酸化摩耗モデルは低温にも適用できます。しかし、酸化速度の増加と、酸化物層の形成および剥離の動的変化のため、中温および高温では適用できなくなりました。中温および高温での摩耗寿命モデルは、散逸エネルギーと剥離係数を導入することで修正され、摩耗量を正確に予測します。

連絡先著者<br /> 郭躍玲は北京航空航天大学（ドイツのマックス・プランク研究所との共同研修）で博士号を取得しました。彼は現在、北京理工大学機械・車両工学学院の製造工学部の終身准教授（特別研究員）、博士課程の指導者、副部長を務めており、金属溶融フィラメント積層造形技術とインテリジェント機器の研究に従事しています。杭州青山湖材料遺伝子工学若手科学者賞、北京航空航天大学優秀博士論文賞などを受賞。国家自然科学基金、国防基礎科学研究プロジェクトと重点プロジェクト、軍事科学技術委員会JCJQサブプロジェクトなどの科学研究プロジェクトを主宰。国内外の学術誌「Virtual and Physical Prototyping」に第一著者/責任著者として40本以上の学術論文を発表。材料遺伝子工学ハイレベルフォーラム、第6回全国積層造形若手科学者フォーラムなどの会議で10回以上、支部会場/招待報告の議長に招かれています。中国機械工学会積層造形技術支部の若手委員、CJME: Additive Manufacturing Frontiersなどのジャーナルの若手編集委員を務めています。

Xin Long 氏は、北京科技大学の国立材料サービス安全科学センターの准研究員です。研究の方向性には、工学構造材料の高温クリープ、材料の表面ナノ結晶化と特性評価、材料の腐食と流れ加速腐食、工学構造材料の摩擦と摩耗、表面工学が含まれます。

白環環氏は、生態環境省の原子力・放射線安全センターの原子力・放射線安全審査官です。

論文引用
Baoli Guo、Yueling Guo、Donghua Tian、Yongming Han、Xiaofeng Zhang、Huanhuan Bai、Long Xin。ワイヤーアーク積層造形法で製造された TA15 合金の往復滑り摩耗メカニズムに対する温度の影響の解明: Wear562–563(2025) 205655

出典: https://doi.org/10.1016/j.wear.2024.205655

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