2024年の3Dプリンティング技術分野における2本目のScience誌の記事が2月8日に掲載された。
出づクイーンズランド大学（オーストラリア(Jingqi Zhangら）。重慶大学(Ziyong Hou、Xiaoxu Huang）、デンマーク工科大学配合研讨チームは、「二官能性合金設計による超均一、高強度、高延性の3Dプリントチタン合金」と題する論文を発表した。二官能性合金設計による超均一、高強度、高延性の3Dプリントチタン合金」。3Dプリンターで作られたチタン合金降伏強度は926MPa、延性は26%で、強度と延性のバランスがとれている。
研讨背景金属の3Dプリンティングでは、粗大な柱状粒や不均一に散布した相がしばしば発生し、その結果、機械的特征が不均一になったり、あるいは悪くなったりする。この研讨では、3Dプリンティングによってチタン合金の高強度と一貫した特征を得るための间接的なアプローチを能够にする設計戦略を含む。粉末金属夹杂物にモリブデン（Mo）を增加することで、相安靖性が向上し、3Dプリント合金の強度、延性、引張特征の均一性が改良されることが示された。同号に掲載されたScience誌の総説は、この方式論は他の粉末夹杂物にも適用でき、強化された特征を持つ異なる合金を調整できることが无望であると述べている。
金属3Dプリント合金の特征が均一でない主な来由は以下の通りである。レイヤー・バイ・レイヤー3Dプリンティング・プロセスでは、凡是、10枚のレイヤーを印刷します。3-108K/sという高い冷却速率は、金属粉末が溶融するメルトプールの端と底付近に大きな熱勾配を生じさせる。この熱勾配は、新たに溶融した资料とその下の固体资料との界面に沿ってエピタキシャル結晶粒成長を誘発し、結晶粒はメルトプールの中间に向かって成長する。多層印刷中の加熱と局部的な再溶融のサイクルは、最終的に大きな柱状結晶粒と不均一に分离した相の构成につながる。
強度と延性を向上させるための戦略と限界
3Dプリント合金の強度と延性を向上させるには、さまざまな戦略がある。.これには、合金設計の最適化、プロセス制御、微細粒界強化、粒微細構造の改質だけでなく、不要相（脆性相）の按捺、第二相の導入、後処理などが含まれる。現在、柱状結晶と望ましくない相の問題に対処するための研讨は、微細構造と相組成を批改するための元素のin situドーピングに集合している。このアプローチは、等方性結晶、すなわち縦軸と横軸に沿った粒径がほぼ等しい構造の构成も促進する。in situ合金化は、強度と延性のバランスを降服する无望な方式である。特に、粉末床溶融や指向性エネルギー堆積法などの3Dプリンティング技術において。.
新たな研讨が大躍進につながる研讨者らは、チタン合金の脆い金属間共晶の构成につながるβ-共晶安靖剤元素を利用する代わりに、Ti-5553（Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr）用のβ-ホモ結晶グループ［ニオブ（Nb）、タンタル（Ta）、バナジウム（V）を含む］からMoを選択した。in-situ 合金化プロセスにおいて、モリブデンは溶融プールに正確に輸送され、各走査層で結晶构成と微細化のための種核として感化する。Mo 增加物は、大きな柱状結晶から微細な等軸および狭い柱状構造への転移を促進する。Mo はまた、所望のβ相を安靖させ、熱サイクル中の相異質の构成を按捺する。
研讨者らは、Ti-5553+5Moの降伏強度と破断伸びを、L-PBF状態および印刷後熱処理で製造したTi-5553（およびTi-55531、Ti-55511）と比較した。製造状態のTi-5553およびその類似合金と比較すると、Ti-5553+5Moは划一の降伏強度を示すが、延性は著しく向上している。印刷後熱処理は、L-PBFで製造されたTi-5553の機械的特征のバランスをとるために普通的に利用される。特定の熱処理前提下で は高い降伏強さ(>1100MPa)を達成できるが、延性は 凡是、破断伸び<10%と著しく劣化するため、宁静 性が主要視される用处での利用は制限される。対照的に、下贱の熱処理を须要としないTi-5553+5Mo资料L-PBFの间接印刷部品は、強度と延性の優れたバランスを示し、同様の合金の中で際立っている。最終的に、研讨者たちはこの戦略を使って、次のような部品を作製した。降伏強さ926MPa、破断伸び26%の均一性に優れた资料。
Ti-5553+5Moの機械的特征は、Ti-5553に比べて很是に均質であり、改良されていた。部品の品質を評価するためのマイクロフォーカスCT(マイクロCT)スキャンによって、両资料が很是に高い密度を示し、総細孔容積分率がそれぞれ0.004024%と0.001589%であることが判明した。このような高い密度は、多孔性がTi-5553の高度に分离した引張特征の缘由となる能够性が低いことを示唆しており、Ti-5553+5Moの機械的特征の高い一貫性と分歧している。+5Moの機械的特征の高い一貫性。結晶粒構造に対するMo增加の効果を明らかにするために、研讨者らはTi-5553とMo增加Ti-5553の電子後方狼藉回折（EBSD）特征評価を行った。5.0wt%のMoをTi-5553に增加すると、結晶粒構造とそれに伴う結晶構造に大きな変化が生じる。Ti-5553+5Moの走査軌跡のエッジに沿って构成される多くの微細な等軸粒（直径～20μm）が很是に目に見える。対照的に、Ti-5553+5Moの微細構造は、微細な等軸結晶粒と狭い柱状結晶によって特徴づけられる。微細組織を詳細に観察すると、微細な柱状結晶粒が周期的に散布していることがわかる。Ti-5553の多層にわたる高度に織り込まれた柱状結晶とは異なり、Ti-5553+5Moの柱状結晶の長さスケールはメルトプールサイズによって決定され、結晶の織り目はランダムで弱くなる。
Ti-55535から作製した破壊試験片のEBSD特征評価終了
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