NPUにおけるチタン合金積層造形における重要な進歩、完全等軸結晶形成の実現

この投稿は warrior bear によって 2022-5-20 22:11 に最後に編集されました。

出典：材料科学と工学金属付加製造技術は3Dプリント技術とも呼ばれ、従来の成形方法とは異なる点単位および層単位の成形プロセスという特徴を持ちます。複雑な部品の直接製造が可能になり、航空宇宙などのハイエンド製造分野で広く注目されています。しかし、成形プロセス中の温度勾配が非常に高いため、最終的なマクロ粒子は柱状粒子であることが多く、その微細構造と機械的特性は強い異方性を示します。つまり、堆積方向（印刷高さ方向）に平行な強塑性および垂直な強塑性に大きな差があります。等軸結晶構造の実現は、常にこの問題に対する最善の解決策と考えられてきました。研究者は、成形プロセス条件の最適化、合金の化学組成の変更、鍛造または超音波装置の追加など、さまざまな制御方法を提案してきました。しかし、ほとんどの金属材料、特に最も広く使用されている TC4 チタン合金の場合、完全に等軸の結晶構造を得るための成形プロセスの最適化はこれまで不可能であると考えられてきました。しかし、成形プロセス制御には、コストが低い、合金組成が変化しない、その場で制御できるなどの利点があり、依然として潜在的な好ましい手段です。

最近、北西工科大学の付加製造研究チームは、金属付加製造溶融池の特性と凝固中の結晶粒成長挙動を詳細に分析することにより、その場でのプロセスパラメータ調整戦略を独創的に提案しました。この技術的解決策は、CETによって得られた等軸粒子を溶融池の上部に保持することにより、TC4チタン合金で完全に等軸の粒子構造を実現します。関連研究は、積層造形分野のトップジャーナルであるAdditive Manufacturingに「Ti6Al4Vの指向性エネルギー堆積におけるその場粒構造制御」というタイトルで掲載されました。責任著者は、西北工科大学の王孟教授、林欣教授、陳静教授です。

オリジナルリンク:
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2214860422002640

チタン合金の積層造形プロセスでは、成形プロセスパラメータと形成される溶融池の温度場特性によって制御され、溶融池の底部は柱状結晶に成長することが多く、一方、溶融池の上部は柱状結晶/等軸結晶変態（CET）により一定の厚さの等軸結晶領域を形成することがよくあります。従来の単一成形プロセスパラメータ条件下では、次の層の堆積中の再溶融深さが等軸結晶領域の厚さよりも大きいため、等軸結晶領域は次の層の堆積中に完全に再溶融され、形成された構造において構造の底部から上部までエピタキシャルに成長する柱状結晶構造が形成されます。

本研究では、積層造形プロセスにおける点単位、線単位、層単位のプロセス制御の柔軟性に基づいて、異なる層間で低エネルギー密度と高エネルギー密度の形成パラメータを切り替え、溶融池上部の等軸結晶領域を部分的に保持し、柱状結晶のエピタキシャル成長を効果的に阻止しました。同時に、等軸粒をベースに柱状粒が再び成長すると、粒の競合的成長により、エピタキシャル成長した粒の形態は等軸粒の形態に近づきます。積層造形プロセス中の後熱サイクル下での粒子の粗大化挙動と相まって、最終的な堆積構造は等軸粒子形態を示します。

図1 交互パラメータ形成プロセス（APP）のサンプル堆積戦略の概略図。 (a) レーザー出力 1200 W と 2400 W を周期的に切り替え、(b) 走査速度 10 mm/s と 20 mm/s を周期的に切り替えます。図 2 従来の成形プロセス (CPP) と交互電力成形プロセス (APP) によって得られたマクロ的な粒子の形態。 (a) CPP-1200 W、(b) CPP-2400 W、(c) APP-1200 W&2400 W。図3 従来の成形プロセス（CPP）と交互走査成形プロセス（APP）によって得られたマクロ的な結晶粒の形態。 (a) CPP-10 mm/s、(b) CPP-20 mm/s、(c) APP- 10 mm/s および 20 mm/s。図4 従来の成形プロセス（CPP）と交互パラメータ成形プロセス（APP）のマクロ粒子EBSD図と極点図。図 5 交互パラメータ成形プロセス (APP) の 3 つの異なる断面における粒子の EBSD 画像と対応する極点図。マクロ粒子形態の光学顕微鏡画像と EBSD 画像から、2 つの異なる成形プロセスパラメータセットを交互に使用することで、マクロ粒子形態が、任意の単一パラメータでの粗い柱状結晶から、交互パラメータでの等軸結晶に変化することがわかります。 α 相および β 相の極点図をさらに分析すると、得られた完全等軸結晶構造の組織強度が大幅に減少し、3 つの異なる平面で同様の組織指数を持つことが示されます。

図6 (a) 従来の成形プロセス (CPP) と交互パラメータ成形プロセス (APP) によって得られた試験片の横方向と縦方向の室温引張特性の比較。 (b) APP 試験片の機械的特性の異方性と既存の文献で報告されているものの比較。TC4 チタン合金の積層造形に関する初期の研究では、得られたマクロ結晶粒は主に柱状結晶粒でした。したがって、プロセスパラメータを調整して成形構造の強度指数の異方性を低減しても、塑性指数の異方性は依然として高いレベル (> 10%) に維持されます。本研究では、等軸結晶を形成することで、機械的性質の強度と塑性の異方性指標がそれぞれ 2.4% と 3.8% に減少しました。単一の成形パラメータと比較すると、得られる機械的特性の異方性が大幅に減少し、強度指数の等方性 (<5%) が達成されるだけでなく、塑性指数の等方性 (<5%) も達成されます。この研究成果により、積層造形チタン合金部品の構造設計の自由度が高まり、航空宇宙分野における積層造形技術のさらなる普及が促進されることが期待されます。

図 7 TC4 チタン合金の積層造形中の CET 挙動と APP 試験片で等軸結晶を得る原理図 8 APP 試験片で等軸結晶が形成される原理の模式図本研究では、成形プロセスパラメータを定期的に変更し、積層造形における溶融池の凝固中に溶融池上部の CET 等軸結晶領域を十分に利用し、結晶粒の競合成長と熱サイクルの粗大化を組み合わせて、積層造形された TC4 チタン合金で完全に等軸結晶の結晶形態と等方性の優れた機械的特性を実現しました。 CET は金属積層造形における一般的な現象であるため、この技術的ソリューションは、等軸結晶が求められる他の合金系にも適用されることが期待されます。全体として、本研究では、プロセスパラメータをリアルタイムで柔軟に調整できる積層造形プロセスの特性を最大限に活用し、業界で長年広く注目されてきた問題を比較的便利なソリューションで解決しました。

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