EBSMパラメータがチタンの微細組織および疲労に及ぼす影響

電子ビーム選択溶融法（EBSM）では、ビームエネルギーと走査速度が溶融池と冷却速度を変化させ、それによってTi-6Al-4Vのマルテンサイト、ラメラ相、硬さが制御されます。造形方向、気孔率、後処理も疲労挙動に影響します。以下の研究では、こうしたプロセス条件と微細組織および機械的応答の関係を示します。

チタンの微細組織に対するプロセスパラメータの影響

ある研究では、粒子径74～147 μmのガスアトマイズ法による予備合金化Ti-6Al-4V粉末が使用された。 S字型のスキャンパスと0.1 mmの積層厚により、厚さ10 mmの316Lステンレス鋼板上に20 mm × 20 mm × 8 mmの試験片が作製された。 予熱により、電子ビームの衝撃に対する粉末の耐性が向上し、粉末の飛散やスパッタが減少した。プレートは、10 m/s、20 mAの条件で6分間予熱された。粉末の予熱には、ビーム電流を1 mAから20 mAまで増加させながら、5 m/sで20回のスキャンを行った。.

電子ビーム選択溶融法では、材料が層ごとに積層されていきます。溶融池は高温に達して急速に冷却される一方、すでに固化していた材料は繰り返し再加熱されます。この急速冷却により、β相が準安定な微細な針状α’マルテンサイトへと変化します。 その後、熱サイクルにより、マルテンサイトの一部が細長いおよび粗大な層状α+βに分解される。X線回折では明確なβピークが観測され、マルテンサイトの分解が確認される。最終的な組織には、微細な針状マルテンサイト、細長い層状α、および粗大で短い層状αが含まれる。.

1. 初期凝固：液体 → β。.
2. 相転移温度における急速冷却：β → α’。.
3. その後の層形成時の再加熱：α’ → α+β。.

エネルギー密度 P/v は、マルテンサイト帯および細長いラメラ状α相に大きな影響を与える。エネルギーが高くなると、プールがより深く、より広くなり、マルテンサイト帯が高くなり、柱状のプリオβ粒子が粗大化する。300°C 以上では、微細マルテンサイトが著しく分解する。 再加熱時のエネルギーが高くなると、ウィドマンシュテッテン組織やバスケットウィーブ組織への変態が促進され、ラメラ状α相が粗大化する。同程度のエネルギー密度では、走査速度が速いほど冷却速度とマルテンサイト帯の高さが増加する。.

• P/v値が0.24、0.48、 0.72、0.3、0.6、0.9において、α’板の幅は0.1～1 μm、板間の残留βは約20 nm、マルテンサイト帯の高さは7～10層であった。 プリβ柱の幅は10～100 μmであった。ラメラ状αの幅は1～2 μmで、異なる配向を持つコロニーと、ウィドマンシュテッテン構造に特徴的な連続した粒界析出物を形成していた。.
• P/v値が0.48、0.96、1.44および0.6、1.2、2.4の場合、マルテンサイト域は22～25層に増加した。 プライアーβ柱の幅は100～400 μmで、堆積層全体を横切っていた。ラメラーαは2～4 μmに粗大化し、ウィドマンシュテッテン組織とバスケットウィーブ組織が共存していた。.

造形方向

別の研究では、Arcam Q10を用いて、25～100 μmのガスアトマイズ法による球状Ti-6Al-4V粉末を使用し、水平プレートに対して90°、60°、30°、および0°の角度で、60 mm × 60 mm × 7 mmのプレートを造形した。.

90°、60°、30°では、微細な針状のα’が、先行β柱状界の両側に沿って析出し、互いに絡み合った籠編み状のウィドマンシュテッテン組織を形成した。角度が小さくなるにつれて、マルテンサイトの幅は大きくなった。 0°のプレートには微細な針状α’は含まれていなかった。その代わりに、共通の配向を持つ細長いβ粒界から帯状のαが析出し、平行なコロニーを形成した。これらの3～8 μmのα帯は、ラメラ構造を形成した。 角度が小さくなるにつれて、1層あたりの走査面積とベースプレートとの接触面積が増加し、冷却速度と過冷却が低下した。結晶化速度は遅くなり、αは針状から帯状へと広がり、組織密度は低下した。.

造形面積、相分率および硬さ

造形領域に関する研究では、40～105 μmのTi-6Al-4V粉末（主に70～80 μm）を使用し、ビーム出力3,000 W、走査速度1,000 mm/s、積層厚0.1 mmの条件で実施した。 積層面積が0.5π mmから12.5π mmに増加するにつれて², 、SEM画像では、明るいβマトリックスの領域が減少する一方で、暗いα領域が増加していることが示された。.

断面周辺において、0.5π、2.0π、12.5π、32π、および50π mmの面積の領域について、微小硬さを測定した。². 強化作用を持つα相の割合が増加するにつれて、硬度は0.5πで約368 HVから、50πで約450 HVへと上昇した。従来の製造方法によるTi-6Al-4V鋳造品の硬度は、約359 HVと報告されている。.

熱間静水圧プレスと疲労

ガスアトマイズ法により製造された50～100 μmのTi-6Al-4V粉末を、チャンバー温度を730°Cに保ちながら50 μmずつ積層した。 一部の試験片は、910°C、100 MPaの条件下で2時間、熱等方圧プレス処理を施した。500 MPa、応力比R=0.1の条件下で軸方向引張疲労試験を行った2つの成形直後の試験片は、それぞれ29,863サイクルおよび60,331サイクルを耐え抜いた。.

熱等静圧成形により、はるかに優れた疲労性能が得られた。 600 MPa以上の各強度レベルで5つの試験片を試験し、575 MPaおよび550 MPaではそれぞれ1つの試験片を試験した。ばらつきは依然として大きかった。750 MPaでは寿命に2桁の差があり、650 MPaでは2つの試験片が1 × 10を超えた。⁷ サイクルをこなした一方で、1.1 × 10で1つが故障した⁵.

SEMの観察結果から、高温等方圧プレス処理によって製造時の欠陥が除去されたことが示された。亀裂のほとんどは表面から発生しており、寿命が短い試験片はすべて表面から亀裂が発生していた。高サイクル疲労では、不可逆的な周期的な持続すべりが蓄積し、機械的微小亀裂を発生させ、それらが連結して疲労亀裂を形成する。 き裂の発生には、通常、総寿命の95%以上が費やされる。.

σにおいて_max=750 MPa および N_f=6.7 × 10⁴, 、このき裂には、発生域、伝播域、および最終過負荷域が含まれていた。表面の点状源により、放射状の痕跡が生じていた。疲労条痕はき裂の伝播方向に垂直であり、局所的には連続して平行に走っていた。この段階における計算上のき裂伝播速度は 3.8 × 10^-7 m/s。最終破断部への移行部では、縞状模様と窪みを伴う混合破断が認められ、最終破断帯ではせん断リップと等軸状の窪みが見られた。.

多孔質Ti-6Al-4Vラティスの疲労

Liらは、60%-85%の多孔構造を持つTi-6Al-4V格子アレイにおける圧縮疲労を研究した。平均粒径30 μmのプレアロイ粉末を、ARCAM系中で650°Cまで予熱した。 菱形十二面体格子の密度は、1.68、1.12、0.91、および0.73 g/cm³であった。³, 、これはそれぞれ62.0%、74.7%、79.5%、および83.5%の気孔率に相当する。圧縮強度は密度の増加とともに上昇した。 多くの金属格子とは異なり、これらの配列は降伏直後に最大応力に達し、その後の圧縮過程において顕著な変動が見られた。.

疲労により、ひずみが徐々に蓄積し、短縮が生じた。ひずみ-サイクル曲線には3つの段階が見られた。すなわち、最初の数サイクル（N＜100）における急激な蓄積、低レベルでほぼ一定に保たれる長い期間、そして急激なひずみ点Nを超えた後の急激な蓄積である。_c. N_c 応力が増加するにつれて減少したため、その挙動は主に第2段階によって支配されていた。ラチェット率 dε/dN は、加えられた応力および相対密度に対して非常に敏感であり、加えられた応力が低く、密度が高いほど、その率は低くなった。.

すべての密度において、同様の繰返し挙動が見られた。ヒステリシスループはひずみ軸に沿って徐々にシフトし、繰返しラチェット現象が確認された。第1段階および第2段階では、変形は均一であった。N_c, 、それは荷重方向に対して45°の角度で、著しく圧縮された帯状領域に局在していた。SEM断面観察試験では、ステージ1では形態に変化が見られなかったが、その後、N付近の支柱に亀裂が生じた。_c, 、広範囲にわたるひび割れ、および支柱の破損。.

多孔質Ti2448の超弾性と疲労

Liuらは、電子ビーム溶融法で製造したβ型Ti2448の多孔性が、超弾性、ヤング率、圧縮強度、および疲労特性にどのような影響を与えるかを調査した。また、結晶粒の配向不一致や亀裂の偏向についても検討した。.

超弾性は、気孔率および引張応力と圧縮応力の比に比例して増加した。EBSMプロセスにより、異なるサイズの結晶粒と強い方位不一致が生じ、疲労亀裂は柱状結晶粒界で偏向した。 Ti-6Al-4Vと比較して、Ti2448は、超弾性、亀裂先端前方の塑性領域の拡大、および亀裂の偏向により、正規化疲労強度が高かった。.

試験片には、0.5%刻みで、総ひずみが2%～3%となるよう、繰返し一軸圧縮試験を行った。 67.9%、77.4%、91.2% の各気孔率の試料はいずれも超弾性を示した。 3% の変形において、91.2% の多孔質試験片はほぼ完全に回復したのに対し、67.9% の試験片は 0.5% までしか回復しなかった。 3% の圧縮ひずみにおいて、応力は 67.9% の多孔率で 35.8 MPa、91.2% で 7.2 MPa でした。 引張応力と圧縮応力の最大比は、それぞれ0.21および0.27であった。多孔率が高いほどこの比が高くなり、超弾性とひずみ容量が向上した。.