2019 Fiscal Year Annual Research Report
三次元プリンタ製チタン合金の先進的急速高温加熱処理に基づく高性能化
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19H02027
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| Research Institution | Kyoto Institute of Technology |
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Principal Investigator |
森田 辰郎 京都工芸繊維大学, 機械工学系, 教授 (90239658)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
小茂鳥 潤 慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 教授 (30225586)
武末 翔吾 京都工芸繊維大学, 機械工学系, 助教 (00846058)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 三次元プリンター / SLM / チタン合金 / 高周波誘導加熱 / 高速酸窒化 / 耐摩耗性 / 疲労強度 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は，新たに考案した先進的急速高温加熱処理により，三次元プリンタ製チタン合金の耐摩耗性，疲労強度および延性を同時に改善することを目的とする．この熱処理では，材料表面を大出力高周波誘導加熱装置を用いて高温まで急速加熱することにより，大気構成元素を高速拡散させて表面硬化させ，短時間に耐摩耗性を改善する．併せて，適切な温度分布を与えた後に冷却し，高い圧縮残留応力の付与と応力誘起変態の発現により表面近傍の造形欠陥を無害化し，疲労強度の顕著な改善を実現する．同時に，材料内部の微視組織を選択的に制御し，延性の向上を達成する．
初年度である2019年度には，Ti-6Al-4V合金展伸材について熱処理条件と微視組織，硬さ分布および残留応力等との関係について基礎データの蓄積を行った．具体的には，各処理材の表面性状，微視組織，軽元素の拡散状態をSEM観察，EBSD分析およびEDS分析により調べた．表面極近傍から内部への硬さ分布は，試料の断面上でナノインデンターを用いて調べた．表面の残留応力は，X線残留応力測定装置（本研究予算で購入）を用いて実施した．その後，得られた結果に基づき，SLM法で作製したTi-6Al-4V合金について同様の検討を開始した．
得られた結果については，日本材料学会第5回材料WEEK若手学生研究発表会，日本材料学会関東支部理事会主催学生研究交流会および日本金属学会2019年秋期（第165回）講演大会で発表した．また，投稿した論文1件は掲載可となり，現在，印刷中である．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
初年度である2019年度には，Ti-6Al-4V合金展伸材について熱処理条件と微視組織，硬さ分布および残留応力等との関係について基礎データの蓄積を図った．得られた結果に基づいて適切な熱処理条件を明らかにした後，SLM法により作製したTi-6Al-4V合金について同様の検討を開始した．その結果，当初の予想通り，β変態点を超える高温であれば60 sという短時間であっても耐摩耗性の改善上有効な厚さ200μmの硬化層を生成可能であった．ただし，加熱後に急速冷却した場合には，表面に微細なき裂が発生したことから，今後，その無効化のために後処理（微粒子衝突処理）が必要と考えられた．以上のように，当該研究はほぼ当初の計画通りに進んでいることから，現在までの進捗状況として「おおむね順調に進展している」と評価した．
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| Strategy for Future Research Activity |
研究2年目の2020年度には，SLM法により作製したTi-6Al-4V合金について，現在までに明らかとなった適切な処理条件で急速高温加熱処理を施す．ただし，昨年度の実験において展伸材表面には急冷時に微細な表面き裂が発生したことから，本年度は積層造形材に熱処理を施した後，株式会社不二WPCの協力により微粒子衝突処理を施す．各処理材については，耐摩耗性，機械的性質および疲労強度に及ぼす急速高温加熱処理の効果を調べる．特に，疲労強度特性に及ぼす影響については詳細に検討を進める．
上記の研究と平行して，現在までに得られた未公開の結果については国内学協会および国際会議で発表予定である．ただし，COVID-19の影響で講演発表については翌年に繰り越される可能性がある．論文投稿については，講演発表と関係なく適宜進める．なお，投稿先としてMaterials Science and Engineering A（Elsevier）を予定している．
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