さまざまな後処理方法に基づく積層造形 GR5 チタン合金の疲労特性

積層造形部品の性能を向上させるために、熱処理 (HT)、熱間静水圧プレス (HIP)、レーザー表面改質などのさまざまな後処理方法がよく使用されます。 積層造形合金の疲労特性に対するさまざまな後処理方法の影響を最適化し、研究しようとする研究がいくつか行われています。 しかし、積層造形チタン合金の疲労性能に影響を与える主な要因は明らかではないため、積層造形チタン合金の疲労強度を向上させるための最適な後処理方法はまだ決定されていません。 さらに、特に Ti-6Al-4V 合金の場合、HIP 処理の前に熱処理を適用することによる疲労強度の向上への影響はほとんど調査されていません。

この記事では、粉末床レーザー選択溶解法によって製造された Ti-6Al-4V 合金の初期状態、熱処理状態、熱間静水圧プレス状態における引張特性と疲労特性を研究し、比較します。 この分野における研究のギャップを埋めます。

 

3D プリンティングによって得られた初期状態の Ti-6Al-4V 合金は、降伏強さ、引張強さ、硬度が最も高くなります。 熱間静水圧プレス熱処理機械加工条件（HT+HIP+M）下の Ti-6Al-4V 合金は、強度の点でより強力です。 低いですが、最高の延性を持っています。 これは、熱処理中のラスの粗大化、マルテンサイト構造の分解、および相境界転位密度の減少によるものです。 比静的強度と引張延性のデータを表 1 に示します。

 

表 1 積層造形チタン合金のさまざまな後処理方法によって得られた静的強度と引張特性の結果。 ＡＢは初期状態、ＨＴは８５０℃で２時間熱処理後の状態、ＨＩＰは９２０℃、１２０ＭＰａで２時間保持した状態を表す。

 

図 1 さまざまな後処理条件下で積層造形されたチタン合金の微細構造。 (a) AB: 初期状態 (b) HT: 850 度 2 時間。 (c) HIP: 920 度、120MPa 2 時間。 (d) HT + HIP 状態。 図の右側に示した方向が印刷時の材料の積層方向です。

 

図 1 は、さまざまな後処理状態における積層造形チタン合金の微細構造を示しています。 この写真は電子顕微鏡で撮影した後方散乱像です。 この画像では、白のコントラストのある位相が位相であり、黒と灰色のコントラストのある位相が位相です。 元の相粒界やウィドマンシュテッテン構造など、印刷されたチタン合金の独特の微細構造特性が図に示されています。 図 2 の結果は、さまざまな後処理条件下での TEM テストの結果を示しています。

 

図2 異なる後処理状態と初期状態における積層造形Ti-6Al-4VのTEM観察結果。 (a) AB。 (b) HT。 (c) AB + HIP。 (d) HT + HIP。

 

熱間静水圧プレスの前に熱処理、つまりHT+HIP条件を適用し、その後サンプル表面を研磨しました(HT+HIP+M)。 Ti-6Al-4V の疲労強度は、初期条件に比べてこの条件下で大幅に向上し、熱処理のみで疲労強度がほぼ 5 倍向上することがわかりました。元の状態に比べて3倍。 具体的なSN曲線を図3に示します。

 

図 3 さまざまな後処理条件での SN 曲線。 具体的な後処理方法は、図の右上隅の凡例に示されています。 このうち、Ｍはサンプル表面が研磨されていることを意味し、Ｍが無い場合はサンプル表面が印刷終了後の状態であることを意味する。

 

熱処理 (HT) と熱間静水圧プレス (HIP) により、積層造形された Ti-6Al-4V 合金内の微細構造が変化します。 熱処理後、準安定針状'マルテンサイト構造は分解して+ラメラ構造になり、熱処理温度が上昇するにつれてラメラの厚さは徐々に増加します。 HT 処理により、AB 状態と比較して疲労強度が向上します。これは、主に + ラメラ構造内の - コロニー (類似した結晶方位を持つ結晶グループ) の妨害と 3D プリンティング プロセスによって導入された引張残留応力によるものです。 リラクゼーション。 HIP処理により疲労強度が向上する理由は、HT状態で述べた2点に加え、材料内部の欠陥の除去を促進することによるものです。 具体的な X 線 μCT テストの結果を以下の図 4 に示します。

 

図 4 さまざまな後処理状態での内部欠陥の 3 次元再構成レンダリング。 (a) AB。 (b) HT。 (c) AB + HIP。 (d) HT + HIP。

論文引用情報:

Bhandari L、Gaur V。添加的に製造された Ti-6Al-4V 合金の疲労特性を改善するためのさまざまな後処理方法[J]。 国際疲労ジャーナル、2023: 107850。