上海大学「MRL」：静磁場がチタン合金構造のレーザー積層造形を制御し、性能向上を実現！

出典: マテリアルサイエンスネットワーク

2022年4月30日、南極熊は、省と部が上海大学に共同で建設した高品質特殊鋼冶金・準備国家重点実験室の任忠明教授所長のチームが、フランスの電磁気冶金分野の権威ある専門家であるイヴ・フォートレル教授、フランスの積層造形分野の権威ある専門家である廖翰林教授、香港城市大学の呂建院士と協力し、静磁場制御レーザー積層造形におけるチタン合金の微細構造と性能制御で新たな進歩を遂げたことを知った。関連する結果は、「静磁場下でのレーザー積層造形法によって製造された Ti6Al4V 合金の強化された機械的特性」というタイトルで、材料分野で国際的に有名なジャーナル「Materials Research Letters」（IF=7.323）に掲載されました。論文の第一著者は博士課程の学生である趙睿新氏であり、責任著者は上海大学の陳超悦氏と王江氏である。上海大学が唯一の責任機関である。このプロジェクトは、国家重点研究開発計画、中国国家自然科学基金、上海市科学技術委員会、上海ライジングスター計画、上海曙光計画によって資金提供されました。

全文リンク: https://www.tandfonline.com/doi/ ... 663831.2022.2064195

レーザー付加製造（LAM）は、その独自の利点により近年急速に発展しました。しかし、高い温度勾配と高い冷却速度という特性により、AM サンプルは添加方向 (BD) に沿って柱状の結晶構造を示し、機械的特性の異方性と不十分な可塑性を示しました。現在、後処理、合金組成設計、リアルタイム圧延、リアルタイム超音波処理などの手段が一般的に使用されており、金属積層造形プロセスの非接触調整方法も広く注目されています。上海大学の任忠明教授のチームは長年にわたり、電磁場下での材料調製に関する基礎研究と応用研究に取り組んできました。

最近、チームのメンバーは、リアルタイムの外部静磁場を使用してL-DEDで形成されたTi6Al4V合金の微細構造を制御し、固液界面の前面にある一次樹枝状結晶の周囲に熱電磁気流を発生させ、微細構造、テクスチャ、粒径の変化を実現し、最終的にL-DED積層造形されたTi6Al4Vチタン合金の可塑性を失うことなく可塑性を大幅に向上させ、機械的特性の異方性を弱めるという革新的な提案を行いました。

図 1 (a) 0.55 T 横方向静磁場における L-DED サンプルの凝固プロセス。(b) 磁場強度分布。(c) 凝固前面の熱電流と熱電磁力。(d)、(g) 積層造形サンプルの光学顕微鏡画像。(e) β 粒子の顕微鏡写真。(f)、(i) β 粒子サイズのヒストグラム

図2 (a) サンプル中のβ相の{001} XRD極点図。磁場あり(b)、磁場なし(c)、磁場なし(d)。(e)と(f)は、{110}極点図における<100>と<110>の標準極です。 (g) (001) <100> テクスチャ、磁場なしと磁場ありのサンプルの体積率

図3 磁場なし（a）～（d）および磁場あり（e）～（h）のサンプルの顕微鏡的特性：図（a）および（e）はSEM画像、図（b）および（f）は反極点図、図（c）および（g）は図（b）および（f）の（0002）αに対応する極点図、図（d）および（h）はTEM暗視野画像

研究によると、L-DED の大きな温度勾配特性により、凝固中に静磁場下で細胞状樹枝状結晶に作用する一方向の熱電磁力がマッシーゾーンに発生することが示されています。この力はマッシーゾーンの柱状結晶を歪ませるのに十分であり、それによって一次 β 結晶の配向が変化し、より低い組織強度とより小さなサイズの一次 β 結晶が得られます。さらに、α 相と一次 β 相の配向は典型的なバーンズ関係に従うため、β 組織の弱化は α 相組織強度の低下も促進し、一次 β 結晶粒界で異なる配向を持つ α 核の数を増加させ、性能に影響を与えるウィドマンシュテッテン構造をさらに減少させ、不連続な粒界 α 相を形成します。結晶粒の微細化、強靭な組織の改善、粒界における連続α相の消失により、強度を確保しながらサンプルの異方性が減少し、サンプルの可塑性が向上します。付加プロセスに平行および垂直な方向の引張強度と降伏強度の差は、磁場なしの場合の160 MPaと130 MPaから、磁場を追加した後はそれぞれ56 MPaと13.5 MPaに減少し、性能の異方性が効果的に改善されました。付加プロセスに垂直な方向の伸びは、磁場なしの3.4±0.7％から10.8±2.8％に大幅に改善されました。同時に、付加プロセスに平行な方向の可塑性もある程度改善されました。

図4 (a) 磁場ありと磁場なしのサンプルの応力-ひずみ曲線。(b) 実験サンプルの性能と異なる状態のサンプルの性能の比較

図5 (a)と(c)はα相GBs反極点図、(b)と(d)は再構成されたβ相反極点図、(e)と(f)は(a)と(c)の{0002}α極点図に対応し、(g)と(h)は(b)と(d)の再構成されたβ相{110}極点図に対応する。

著者らは、二相チタン合金Ti6Al4Vを研究対象とし、非接触外部場、静磁場を加えて、L-DEDプロセス中の付加プロセスを制御した。その結果、横方向の静磁場は溶融池の微細構造を変化させ、溶融物との短期的な相互作用下で材料組織化と組織制御を実現できることが示された。この研究は、Ti6Al4VのL-DEDプロセスで静磁場を適用すると、大きな熱電磁力が発生し、β相の組織と粒径が変化し、不連続αGBの形成にさらに大きな影響を与えることを示しています。磁場を追加すると、不連続α粒界が形成され、L-DED二相チタン合金Ti6Al4Vの可塑性が向上します。この研究における表面静磁場は、レーザー積層造形プロセスを効果的に制御し、微細構造の非接触制御を実現します。これは、レーザー積層造形の分野が現在抱えている多くの問題に対する潜在的な解決策を提供します。

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