チタンのレーザー・電子ビーム・アークによる積層造形

チタン合金は、高い比強度、耐食性、および耐熱性を兼ね備えているが、従来の加工方法はコストが高く、困難を伴う。積層造形は、ニアネットシェイプの部品を層ごとに積み上げて成形するため、複雑な航空宇宙部品や医療用部品の製造に適している。主なエネルギー源としては、レーザー、電子ビーム、および電気アークが挙げられる。.

レーザー積層造形

選択的レーザー溶融

選択的レーザー溶融法では、集束させたレーザーを用いて、スライスされたモデルデータに基づいて、粉末床の各層を順次溶融させます。1層が固化すると、造形プラットフォームが下降し、新しい粉末が敷き詰められ、このサイクルが繰り返されます。.

レーザー出力、走査速度、層厚、ハッチ間隔、走査戦略などのプロセスパラメータは、密度、欠陥、残留応力、および組織を左右する。出典で引用されているTi-6Al-4Vに関する研究によると、840°Cで2時間完全焼鈍を行うと、造形後の微細組織が変化し、その均一性が向上するという。.

レーザー金属堆積

レーザー金属堆積法では、粉末またはワイヤを、レーザーによって生成された溶融池に直接供給します。この方法では、より大きな形状の形成や高価な部品の修復が可能ですが、堆積精度や表面品質は、一般的に粉末床溶融法よりも劣ります。急速方向凝固では、Ti-17の例に示されるように、粗大な柱状のプリ-ベータ結晶粒やバスケットウィーブ構造が生成されることがあります。.

レーザー加工は高精度と材料利用率の高さを特徴とするが、粉末コスト、残留応力、造形サイズの制限、プロセスの安定性、および後処理の必要性といった課題が依然として残っている。.

電子ビーム積層造形

電子ビーム粉末床溶融法は真空下で動作し、粉末床を予熱することで、温度勾配や残留応力を低減します。この方法は反応性チタン合金に適しており、高い積層速度を実現できますが、表面仕上げや寸法精度は一般的にレーザー粉末床溶融法よりも劣ります。.

同情報源によると、粉末床溶融法で製造されたTi-6Al-4Vは、20 Kで約20%、77 Kで約29%の伸びを示すなど、優れた極低温延性を維持できるとされ、その挙動は変形双晶に関連しているとしている。.

ワイヤアーク積層造形

ワイヤアーク積層造形は、電気アークとワイヤ材料を使用します。その高い積層速度と低い材料コストは、大型の構造部品に適していますが、入熱量が高く、寸法精度は低いため、大幅な機械加工が必要になる場合があります。 熱サイクルにより、Ti-6Al-2Zr-1Mo-1Vの堆積層に巨視的な縞模様や不均一な微細組織が生じることがある。.

どのチタン積層造形プロセスを選ぶべきか？

今後の研究は、チタンマトリックス複合材料、600°C以上の環境下で使用される合金、およびTiBやTiCなどのナノスケールの補強材へと向かっています。産業でのより広範な採用には、信頼性の高いモニタリング、シミュレーション、欠陥管理、およびプロセスに特化した設計ルールが不可欠となるでしょう。.